Qué es la lógica de transistores (TTL) y cómo funciona

Las puertas lógicas como NAND y NOR se utilizan en aplicaciones cotidianas para realizar operaciones lógicas. Las puertas se construyen con dispositivos semiconductores como BJTs, diodos o FETs. Las diferentes puertas se construyen con circuitos integrados. Los circuitos lógicos digitales se construyen según una tecnología de circuitos específica o familias lógicas. Las diferentes familias lógicas son RTL (lógica de resistencias-transistores), DTL (lógica de diodos-transistores), TTL (lógica de transistores-transistores), ECL (lógica de emisores acoplados) y CMOS (lógica de semiconductores de óxido metálico complementarios). De ellos, el RTL y el DTL se utilizan raramente. Este artículo presenta una visión general de una Lógica de transistores o TTL.

Historia de la lógica de transistores

La lógica TTL o de transistores fue inventada en 1961 por "James L. Buie de TRW". Es adecuado para el desarrollo de nuevos circuitos integrados. El nombre actual de este TTL es TCTL, que significa lógica de transistores acoplados. En 1963, los primeros dispositivos comerciales TTL fueron diseñados por 'Sylvania', conocidos como SUHL o 'Sylvania Universal High-Level Logic family'.

Después de que los ingenieros de Texas Instruments lanzaran en 1964 los circuitos integrados de la serie 5400 con un rango de temperatura militar, la lógica de transistores se hizo muy popular. Más tarde, en 1966, se lanzó la serie 7400 con una gama más reducida.

Los componentes compatibles de las familias 7400 lanzadas por Texas instruments fueron diseñados por varias empresas como National Semiconductor, AMD, Motorola, Intel, Fairchild, Signetics, Intersil, Mullard, SGS-Thomson, Siemens, Rifa, etc. Sólo un fabricante, IBM, lanzó circuitos no compatibles que utilizaban el TTL para sus propios fines.

La lógica de transistores se ha aplicado a muchas generaciones de lógica bipolar, mejorando lentamente la velocidad y la utilización de la energía durante unas dos décadas. Normalmente, cada chip TTL consta de cientos de transistores. Normalmente, las funciones de un mismo paquete van desde puertas lógicas hasta un microprocesador.
El primer PC, como el Kenbak-1, utilizaba la lógica de transistores para su CPU como alternativa a un microprocesador. En 1970, el Datapoint 2200 utilizaba componentes TTL y fue la base del 8008 y posteriormente del conjunto de instrucciones x86.

La interfaz gráfica de usuario introducida por Xerox alto en 1973 y las estaciones de trabajo Star en 1981 utilizaban circuitos TTL integrados en el nivel de la ALU.

¿Qué es la lógica de transistores (TTL)?

La lógica de transistores (TTL) es una familia lógica formada por BJT (transistores de unión bipolar). Como su nombre indica, el transistor realiza dos funciones: la lógica y la amplificación. Los mejores ejemplos de TTL son las puertas lógicas: la puerta NOR 7402 y la puerta NAND 7400.

La lógica TTL se compone de varios transistores que tienen varios emisores y varias entradas. Los tipos de TTL o lógica de transistores incluyen principalmente el TTL estándar, el TTL rápido, el TTL Schottky, el TTL de alta potencia, el TTL de baja potencia y el TTL Schottky avanzado.

El diseño de las puertas lógicas TTL puede hacerse con resistencias y BJT. Hay varias variantes de TTL desarrolladas para diferentes fines, como los paquetes TTL resistentes a la radiación para aplicaciones espaciales y los diodos Schottky de bajo consumo, que ofrecen una excelente combinación de velocidad y menor consumo.

Tipos de lógica de transistores

Los TTL son de diferentes tipos y se clasifican según la salida, de la siguiente manera

• TTL estándar
• TTL rápido
• Schottky TTL
• TTL de alta potencia
• TTL de baja potencia
• Schottky TTL avanzado.

El TTL de bajo consumo funciona con una velocidad de conmutación de 33ns para reducir el consumo de energía a 1 mW. Ahora ha sido sustituido por la lógica CMOS. El TTL de alta velocidad tiene una velocidad de conmutación mayor que el TTL normal (6ns). Sin embargo, tiene una elevada disipación de energía (22 mW).

El TTL Schottky se lanzó en 1969 y se utiliza para evitar la acumulación de carga y mejorar el tiempo de conmutación utilizando diodos Schottky en el terminal de la puerta. Estos terminales de puerta funcionan en 3ns, pero dan lugar a una elevada disipación de energía (19 mW)

El TTL de baja potencia utiliza valores de resistencia elevados en comparación con el TTL de baja potencia. Los diodos Schottky ofrecen una buena combinación de velocidad y bajo consumo (2 mW). Es el tipo más general de TTL, utilizado como lógica de cola en los microordenadores, y sustituye esencialmente a subfamilias anteriores como L, H y S.

El TTL rápido se utiliza para aumentar la transición de bajo a alto. Estas familias han alcanzado PDPs de 4pJ y 10 pJ. LVTTL o TTL de baja tensión para la alimentación de 3,3 V y la interconexión con la memoria.

La mayoría de los diseñadores proporcionan rangos de temperatura comerciales y ampliados. Por ejemplo, el rango de temperatura de los componentes de la serie 7400 de Texas Instruments es de 0 a 70 °C y el de la serie 5400 de -55 a +125 °C. Los componentes de alta fiabilidad y calidad especial son asequibles para las aplicaciones aeroespaciales y militares, mientras que los dispositivos de radiación de la serie SNJ54 se utilizan en aplicaciones espaciales.

Funciones TTL

Las características del TTL son las siguientes.

1. Abanícate: Número de cargas que la salida de un GATE puede accionar sin afectar a su rendimiento habitual. La carga se define como la cantidad de corriente que necesita la entrada de otra compuerta conectada a la salida de la compuerta en cuestión.
2. Disipación de energía Representa la cantidad de energía que necesita el aparato. Se mide en mW. Suele ser el producto de la tensión de alimentación y la cantidad de corriente media consumida cuando la salida es alta o baja.
3. Retraso de propagación: Representa el tiempo de transición que transcurre cuando cambia el nivel de entrada. El retardo con el que la salida realiza la transición es el retardo de propagación.
4. Margen de ruido: Representa la cantidad de tensión de ruido permitida en la entrada, que no afecta a la salida estándar.
   

Clasificación del transistor y de la lógica del transistor

Se trata de una familia lógica compuesta íntegramente por transistores. Emplea un transistor con múltiples emisores. Comercialmente comienza con la serie 74, como el 7404, 74S86, etc. Fue construido en 1961 por James L Bui y utilizado comercialmente en el diseño lógico en 1963. Los TTL se clasifican según la salida.

Salida de colector abierto

La característica principal es que su salida es 0 cuando es baja y flotante cuando es alta. Normalmente se puede aplicar una VDC externa.

El transistor Q1 se comporta como un grupo de diodos colocados espalda con espalda. Con cualquiera de las entradas en un nivel lógico bajo, la unión emisor-base correspondiente está polarizada hacia delante y la caída de tensión a través de Q1 es de aproximadamente 0,9 V, lo que no es suficiente para accionar los transistores Q2 y Q3. Por tanto, la salida es flotante o Vdc, es decir, de alto nivel.

Del mismo modo, cuando todas las entradas son altas, todas las uniones base-emisor de Q1 se invierten y los transistores Q2 y Q3 reciben suficiente corriente de base y están en modo de saturación. La salida está en nivel lógico bajo. (Para que un transistor entre en saturación, la corriente de colector debe ser mayor que β veces la corriente de base).

Aplicaciones

Las aplicaciones de la salida de colector abierto son las siguientes

• En las lámparas de accionamiento o en los relés
• En la ejecución de la lógica cableada
• En la construcción de un sistema común de autobuses

Salida del tótem

El tótem se refiere a la adición de un circuito de pull-up activo a la salida de la compuerta que da lugar a una reducción del retardo de propagación.

El funcionamiento lógico es el mismo que el de la salida de colector abierto. El uso del transistor Q4 y del diodo sirve para cargar y descargar rápidamente la capacidad parásita a través de Q3. La resistencia se utiliza para mantener la corriente de salida en un valor seguro.

Puerta de tres estados

Proporciona una salida de tres estados como la siguiente

• Estado de nivel bajo cuando un transistor inferior está en ON y un transistor superior en OFF.
• Estado de alto nivel cuando el transistor inferior está en OFF y el superior en ON.
• Tercer estado cuando ambos transistores están en OFF. Permite conectar directamente muchas salidas.

Características de la familia TTL

Las características de la familia TTL son las siguientes

• El nivel lógico bajo es 0 o 0,2V.
• El nivel lógico alto es de 5 V.
• Rango típico de 10. Significa que puede soportar un máximo de 10 puertas de salida.
• Un dispositivo TTL básico consume una potencia de casi 10 mW, que se reduce con el uso de dispositivos Schottky.
• El retraso medio de propagación es de unos 9 ns.
• El margen de ruido es de unos 0,4 V.

Serie de circuitos integrados TTL

Los circuitos integrados TTL comienzan en su mayoría con la serie 7. Tiene 6 subfamilias, que son las siguientes:

1. Dispositivo de bajo consumo con un retardo de propagación de 35 ns y una disipación de energía de 1mW.
2. Schottky de baja potencia con un retraso de 9ns
3. Dispositivo Schottky avanzado con un retardo de 1,5ns.
4. Schottky avanzado de bajo consumo con un retardo de 4 ns y una disipación de potencia de 1mW.

En la nomenclatura de los dispositivos TTL, los dos primeros nombres indican el nombre de la subfamilia a la que pertenece el dispositivo. Los dos primeros dígitos indican el rango de temperatura de funcionamiento. Los dos alfabetos siguientes indican la subfamilia a la que pertenece el aparato. Los dos últimos dígitos indican la función lógica que realiza el chip. Ejemplos: 74LS02- 2 puertos NOR en ninguna entrada, 74LS10- Triple puerto NAND en 3 entradas.

Circuitos TTL típicos

Las puertas lógicas se utilizan en la vida cotidiana en aplicaciones como la secadora, la impresora del ordenador, el timbre de la puerta, etc.

A continuación se muestran las 3 puertas lógicas básicas implementadas con lógica TTL

Puerto NOR

Supón que la entrada A está en nivel lógico alto, la unión emisor-base del transistor correspondiente está en polarización inversa y la unión base-colector en polarización directa. El transistor Q3 recibe la corriente de base de la tensión de alimentación Vcc y entra en saturación. Debido a la baja tensión de colector de Q3, el transistor Q5 se apaga y, por otro lado, si otra entrada es baja, Q4 se apaga y, en consecuencia, también lo hace Q5 y la salida se conecta directamente a tierra a través del transistor Q3. Del mismo modo, cuando ambas entradas sean lógicamente bajas, la salida será lógicamente alta.

Puerta NO

Cuando la entrada es baja, la unión base-emisor está polarizada hacia delante y la unión base-colector está polarizada hacia atrás. Como resultado, el transistor Q2 se interrumpe y el transistor Q4 también se interrumpe. El transistor Q3 entra en saturación y el diodo D2 comienza a conducir y la salida se conecta a Vcc y pasa a nivel lógico alto. Del mismo modo, cuando la entrada está en nivel lógico alto, la salida está en nivel lógico bajo.

Comparación de las familias lógicas TTL y otras

En general, los dispositivos TTL consumen más energía que los CMOS, pero la utilización de energía no aumenta con la velocidad de reloj de los dispositivos CMOS. En comparación con los circuitos ECL actuales, la lógica de transistores consume poca energía y tiene reglas de diseño sencillas, pero es considerablemente más lenta.

Los fabricantes pueden combinar dispositivos TTL y ECL dentro del mismo sistema para conseguir el mejor rendimiento, pero se necesitan dispositivos como el cambio de nivel entre las dos familias lógicas. El TTL es menos sensible a los daños por descargas electrostáticas que los primeros dispositivos CMOS.

Debido a la estructura o/p del dispositivo TTL, la impedancia o/p es asimétrica entre los estados bajo y alto, lo que los hace inadecuados para conducir líneas de transmisión. Por lo general, este inconveniente se supera amortiguando el o/p mediante dispositivos especiales de control de línea cuando las señales se van a transmitir a través de cables.

La estructura tótem-pole o/p del TTL suele presentar un rápido solapamiento cuando los transistores superiores e inferiores están en conducción, lo que provoca un considerable consumo de corriente de la fuente de alimentación.

Estas señales pueden conectarse repentinamente entre diferentes paquetes de CI, lo que provoca un menor rendimiento y un margen de ruido reducido. Normalmente, los sistemas TTL utilizan un condensador de desacoplamiento para cada uno de los paquetes de CI, de modo que una señal de corriente de un chip TTL no disminuya momentáneamente la tensión de alimentación de otro.

En la actualidad, muchos diseñadores proporcionan equivalentes lógicos CMOS a través de niveles i/p y o/p compatibles con TTL mediante números de pieza que se correlacionan con el componente TTL correspondiente e incluyen los mismos pinouts. Por ejemplo, la serie 74HCT00 ofrece varios componentes alternativos a la serie bipolar 7400, pero utiliza tecnología CMOS.

Las comparaciones entre las familias TTL y otras familias lógicas en cuanto a las especificaciones son las siguientes.

Inversor lógico de transistores y transistores

Los dispositivos lógicos de transistores (TTL) han sustituido a la lógica de diodos-transistores (DTL) porque funcionan más rápido y son más baratos. El circuito integrado NAND de 2 entradas Quad utiliza un dispositivo TTL 7400 para diseñar una amplia gama de circuitos y se utiliza como inversor.

El esquema del circuito anterior utiliza las puertas NAND del CI. Cuando se selecciona el interruptor A para activar el circuito, observarás que los dos LED del circuito se apagan. Cuando la salida es baja, la entrada debe ser alta. A continuación, selecciona el interruptor B y se encenderán los dos LEDs.

Cuando se selecciona el interruptor A, las dos entradas del puerto NAND estarán en alto, lo que significa que la salida del puerto lógico estará en bajo. Cuando se selecciona el interruptor B, las entradas no estarán altas durante mucho tiempo y los LEDs se encenderán.

Ventajas y desventajas

Las ventajas y desventajas del TTL son las siguientes.

La principal ventaja del TTL es la posibilidad de interconectar fácilmente con otros circuitos y la capacidad de generar funciones lógicas difíciles gracias a ciertos niveles de tensión y a los buenos márgenes de ruido El TTL tiene buenas características como el fan-in, es decir, el número de señales i/p que puede aceptar una entrada.

El TTL es principalmente inmune a los daños causados por las descargas eléctricas estacionarias, no como el CMOS, y es más barato que este último. La principal desventaja del TTL es su elevado consumo de corriente. La alta demanda de corriente de TTL puede llevar a un funcionamiento abusivo porque los estados o/p se desconectan. Aunque las versiones TTL con bajo consumo de corriente son competitivas con las CMOS.

Con la llegada del CMOS, las aplicaciones TTL fueron sustituidas por las CMOS. Sin embargo, el TTL se sigue utilizando en las aplicaciones porque es bastante robusto y las puertas lógicas son bastante baratas.

Aplicaciones TTL

Las aplicaciones del TTL son las siguientes.

• Se utiliza en aplicaciones de controladores para proporcionar de 0 a 5 V
• Se utiliza como dispositivo de conmutación en el control de lámparas y relés
• Utilizado en procesadores de miniordenadores como el DEC VAX
• Se utiliza en impresoras y terminales de visualización de vídeo

Por lo tanto, es una visión general de la lógica TTL o de transistores. Se trata de un grupo de circuitos integrados que mantienen estados lógicos y realizan la conmutación mediante BJTs. El TTL es una de las razones por las que los circuitos integrados se utilizan tanto, porque son baratos, más rápidos y tienen una gran fiabilidad en comparación con el TTL y el DTL. Un TTL utiliza transistores a través de diferentes emisores de puerta que tienen diferentes entradas. Aquí tienes una pregunta: ¿cuáles son las subcategorías de la lógica de transistores?