電晶體-電晶體邏輯

電晶體-電晶體邏輯(英語:Transistor-Transistor Logic,縮寫為TTL),是市面上較為常見且套用廣泛的一種邏輯門數字積體電路,由電阻器和電晶體而組成。TTL最早是由德州儀器所開發出來的,現雖有多家廠商製作,但編號命名還是以德州儀器所公布的資料為主。其中最常見的為74系列。 與TTL分庭抗禮的是CMOS,舊時兩者相比較TTL主要是速度快,CMOS則是速度慢,但省電、成本比TTL低。隨著CMOS技術的進步,其反應速度已經超越TTL。而且CMOS內部不具有製作麻煩的電阻,所以TTL可說幾乎沒有發展。目前TTL主要套用於教育或是較簡單的數字電路。

內部主要構成元件

TTL最主要是由N組電阻、電晶體、二極體構成的偏置電路所組合出來,線上性放大器的角度來看就是數個CE(共發射極)電路或是CC(共集電極)電路所組成。當然這只是比喻並非實際,畢竟在數字邏輯的世界就是只有0跟1,也就是關或開。

74系列與54系列

74系列為民用品,可工作於商用溫度範圍(0至70度C),是一般TTL邏輯電路中最常見的系列,在數字邏輯或是微處理機的相關課程更是少不了它們的存在。

54系列為軍用品,可工作于軍用溫度範圍(-55至125度C),用於具有特殊工作需求的地方。

74系列TTL IC的分類如下:

以內部結構區分

•標準型

結構跟構成的材料最簡單,相對的特性也是不理想,所以此類型已經被淘汰多時。無英文簡寫,範例:7400。

•早期的低功率型與高速型

•低功率型,(英文 Low Power簡寫“L”),耗電低,但速度慢。範例:74L00。

•高速型,(英文 High Speed簡寫“H”),速度較快,輸出較強,但耗電高。範例:74H00。

由於 S 型耗電與 H 型相近,但速度極快。 LS 型的耗電與 L 型相近,但速度卻快很多,甚至比 H 型還快。 因此 L 型與 H 型很快就退出市場。

•肖特基(Schottky)

除了電阻器一樣是做控流跟偏置用途,肖特基型最主要是採用肖特基二極體跟肖特基電晶體,改善切換速度。在市面上跟教育單位非常普及,特性也很不錯,常常被用來搭配Intel 8051使用。LS型逐漸成為TTL中的主流。

肖特基型(英文 Schottky Logic,簡寫“S”),範例:74S00。

高級肖特基型(英文 Advanced Schottky Logic,簡寫“AS”),範例:74AS00。

低功率肖特基型(英文 Low Power Schottky Logic,簡寫“LS”),範例:74LS00。

高級低功率肖特基型(英文 Advanced Low Power Schottky Logic,簡寫“ALS”),範例:74ALS00。

•快速(英文Fast,簡寫“F”)

快速型是有別於肖特基型所另外發展的高速TTL,範例:74F00。

•CMOS(英語:Complementary Metal Oxide Semiconductor)

雖然此類型的編號與接腳規格跟TTL一樣,但內部的實際結構是CMOS,而不是TTL所使用的接面電晶體。此系列具有CMOS的高輸入阻抗特性與低耗電,但工作電壓範圍有別於先前RCA所發展的40跟45系列的CMOS邏輯IC。除早期的C系列外,此類CMOS的運作速度非常快。

CMOS,英文簡寫“C”,範例:74C00。

高級CMOS(英文 Advanced CMOS Logic,簡寫“AC”),範例:74AC00。

高速CMOS(英文 High Speed CMOS Logic,簡寫“HC”),範例:74HC00。

高級高速CMOS(英文 Advanced High Speed CMOS Logic,簡寫“AHC”),範例:74AHC00。

TTL各系列典型消耗功率與傳輸延遲的比較[編輯]

系列型號特徴消耗電力(mW/Gate)傳輸延遅 t(nsec)
標準TTL741962年商品化初期的標準品1010
低功率TTL74L初期的低消耗電力產品。但速度慢。135
高速TTL74H初期的高速暨高輸出TTL。但消耗電力大。206
肖特基TTL74S使用肖特基二極體與肖特基電晶體的高速TTL203
低功率肖特基TTL74LS1970年代後半至80年代前半的主流TTL210
先進(Advanced)LS-TTL74ALS1980年代中期推出的LS-TTL改良品14
先進(Advanced)S-TTL74AS1980年代中期推出的S-TTL改良品201.5
快速型FAST74F1980年代中期由Fairchild公司發售的高速肖特基TTL42.5

以輸出型態分類

•圖騰式輸出(Totem-pole Output)

•大部分74系列的組合邏輯IC ,都是採用圖騰式輸出。此種輸出可以輸出高電位與低電位。被稱為圖騰式則是因為電路形式像圖騰一樣配置。

•開集電極式輸出(Open Collector,簡稱O.C.)

此種輸出不能輸出高電位,輸出只有開路與低電位兩種狀態。

•可以承受較高的電壓或與不同工作電壓的電路連線。 有時開集電極式輸出可用來應付比較重的負載(例繼電器)。

•可以允許多個開集電極式邏輯輸出進行並聯,作為Wired-AND使用。圖騰式的邏輯門輸出不能並聯連線。

•三態式輸出(Tri-state或3-state)

•在數字電路除了0跟1以外,另一種狀態則是高阻抗,高阻抗對電路來說即是斷路。主要是用於匯流排(bus)等。

•史密特觸髮型輸入(Schmitt Trigger)

•此類型邏輯門具有所謂的遲滯電壓,不易因為輸入在0/1交界電壓附近的小幅變化而產生輸出跳動,主要用途是抗噪聲、消除機械式接點的彈跳(暫態)現象,也可用來做RC振盪器等。

代表性IC

•與非門(NAND):7400、7410、7412、7420、7430

•或非門(NOR):7402、7427

•非門(NOT):7404、7414

•與門(AND):7408、7411、7421

•或門(OR):7432

•異或門(XOR):7486

•同或門(XNOR):74266

•緩衝閘(Buffer):7407、74244

•BCD(十進制)轉七段數碼管解碼器:7447、7448

•全加器(Full Adders):7483、74283

•D型栓鎖器(D-type Latches):74373

•異步計數器(Asynchronous Counter):7490 (十進制,Decade)、7492(十六進制)

TTL電壓準位

使用標準供電電壓5V的TTL電壓準位規範

•輸入電壓準位

•Hi輸入電壓:2.0V以上

•Low輸入電壓:0.8V以下

•輸出電壓準位

•Hi輸出電壓:2.4V以上

•Low輸出電壓:0.4V以下

•由以上規範可以算出:前一級輸出至次一級輸入電壓準位間,可以容忍的噪聲邊際電壓是0.4V。

使用注意事項

避免在帶有靜電的情況下接觸IC

TTL的電源電壓要5V,建議最低不低於4.75V,最高不高於5.25V

若輸入端空接,邏輯門會把輸入端視為HI的狀態

注意第一隻腳的位置,以免錯接

若某一邏輯門的輸出要並接許多負載或是邏輯門,最好先裝緩衝器或是提升電阻,以免發生負載效應

1.

避免在帶有靜電的情況下接觸IC

2.

TTL的電源電壓要5V,建議最低不低於4.75V,最高不高於5.25V

3.

若輸入端空接,邏輯門會把輸入端視為HI的狀態

4.

注意第一隻腳的位置,以免錯接

5.

若某一邏輯門的輸出要並接許多負載或是邏輯門,最好先裝緩衝器或是提升電阻,以免發生負載效應

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