Transistor-Transistor logic

Transistor-Transistor Logic ou TTL est une famille de circuits logiques utilisée en électronique, inventée en 1961[1] par James L. Buie (en) sous l'appellation Transistor-Coupled Transistor Logic. De façon indépendante, inspirée par une présentation[2] de la société Fairchild sur les techniques de logique tout-transistor, la société Sylvania a produit les premiers circuits intégrés TTL commerciaux en 1963. Développée et proposée par de nombreux fabricants électroniques, la famille TTL a rapidement constitué une norme de premier plan pour les circuits intégrés utilisés dans les ordinateurs et les appareils numériques.

Composants TTL

Circuit intégré TTµL-103 de Fairchild (1964) contenant deux portes NON-ET à quatre entrées en logique TTL

Cette famille emploie une technologie à transistor bipolaire saturé – par opposition aux technologies à transistor bipolaire non saturé (p. ex. famille ECL) et à transistor à effet de champ (p. ex. familles NMOS, PMOS, CMOS, HCMOS) – distincte des technologies à résistance et transistor (p. ex. famille RTL). Elle constitue une amélioration de la famille des portes logiques DTL (Diode-Transistor Logic) apparue dans la seconde moitié des années 1950. Aujourd'hui elle tend à disparaître du fait de sa consommation énergétique élevée (comparativement aux circuits CMOS).

Détail du brevet de James L. Buie déposé en 1961[1]

Principe de fonctionnement

Dans sa version primitive[1] - [2], la structure d'une porte TTL élémentaire (en l'occurrence une porte inverseuse – opérateur NON) est constituée de deux transistors bipolaires de même type (communément de type NPN) et d'une résistance, soit :

un transistor de couplage, monté en base commune, dont l'émetteur est relié à l'entrée de la porte ;
un transistor d'amplification et d'inversion, monté en émetteur commun, dont la base est reliée au collecteur du transistor de couplage, l'émetteur à la masse et le collecteur à la sortie de la porte ;
une résistance, connectée entre la base du transistor de couplage et l'alimentation (au pôle positif dans le cas de transistors NPN), qui fournit le courant nécessaire au fonctionnement de la porte.

Porte inverseuse (NOT) dans la version TTL proposée par James L. Buie en 1961[1], avec le transistor de couplage à gauche et le transistor d'amplification et d'inversion à droite.

Les deux transistors fonctionnent en mode de commutation : chaque transistor est soit saturé (V_CE faible) et équivalent à un interrupteur fermé entre son collecteur et son émetteur, soit bloqué (I_C négligeable) et équivalent à un interrupteur ouvert entre son collecteur et son émetteur.

Lorsqu'un niveau de tension bas est appliqué à l'entrée de la porte en drainant vers la masse le courant qui en sort (situation représentative d'un état logique 0) :

le transistor de couplage est saturé par le courant issu de la résistance qui traverse sa jonction base-émetteur
le transistor d'amplification et d'inversion est bloqué car sa tension base-émetteur est insuffisante
le circuit extérieur relié à la sortie de la porte peut produire un niveau de tension haut (représentatif d'un état logique 1).

Lorsque le courant produit par l'entrée de la porte n'est pas drainé vers la masse ou lorsqu'on applique un niveau de tension élevé sur cette entrée (situation représentative d'un état logique 1) :

le transistor de couplage est bloqué^† car sa tension base-émetteur est insuffisante ou négative^‡
le transistor d'amplification et d'inversion est saturé par le courant issu de la résistance qui traverse la jonction base-collecteur du transistor de couplage
le transistor d'amplification et d'inversion impose à la sortie de la porte un niveau de tension bas (représentatif d'un état logique 0) en drainant vers la masse le courant issu du circuit extérieur.

Remarques :
† : le blocage du transistor de couplage correspond à I_E nul avec une inversion du rôle de son émetteur (E) et de son collecteur (C) du fait de sa polarisation particulière. Ce blocage survient sans dé-saturation notable du transistor[1], ce qui procure des temps de commutation très courts.
‡ : afin d'assurer le blocage du transistor de couplage lors de l'inversion du rôle de son émetteur et de son collecteur par l'application d'une tension élevée (p. ex. 5 V) sur l'entrée de la porte, celui-ci est fabriqué de sorte que son gain en courant inverse reste très faible.

Pour réaliser un opérateur logique NON-ET, on utilise un transistor de couplage multi-émetteurs dont chaque émetteur est relié à une entrée du circuit, de sorte que ce transistor n'est bloqué, et produit donc un niveau bas sur la sortie de la porte (état logique 0), que lorsque toutes les entrées sont au niveau haut (état logique 1).

Ainsi, les jonctions base-émetteur du transistor de couplage réalisent une opération logique ET à la manière d'un circuit logique à diodes (p. ex. DTL), puis le transistor d'amplification et d'inversion réalise une opération logique NON.

Par exemple, pour trois entrées logiques A, B et C produisant l'état de la sortie logique Y, le transistor de couplage réalise d'abord l'opération X = A.B.C, puis le transistor d'amplification et d'inversion réalise l'opération Y = ¬X = ¬(A.B.C) .

Porte NON-ET (NAND) dans la version TTL proposée par James L. Buie en 1961[1].

Pour réaliser un opérateur logique NON-OU, on utilise des portes NON dont les collecteurs des transistors d'amplification et d'inversion sont interconnectés, de sorte que la tension de sortie est forcée au niveau bas (état logique 0) dès que la tension d'au moins l'une des entrées est au niveau haut (état logique 1).

Ainsi, les transistors d'amplification et d'inversion réalisent chacun une opération logique NON puis, ensemble, une opération logique ET à la manière d'un circuit à couplage direct (p. ex. DCTL).

Par exemple, pour trois entrées logiques A, B et C produisant l'état de la sortie logique Y, les portes NON réalisent d'abord les opérations U = ¬A, V = ¬B et W = ¬C, puis l'interconnexion des transistors d'amplification et d'inversion réalise l'opération Y = U.V.W = ¬A.¬B.¬C = ¬(A+B+C) .

Porte NON-OU (NOR) dans la version TTL proposée par James L. Buie en 1961[1].

On réalise une opération logique ET-OU-NON en combinant directement les deux montages NON-ET et NON-OU précédents.

Porte ET-OU-NON dans la version TTL proposée par James L. Buie en 1961[1].

En pratique, dans les différentes séries de circuits TTL qu'ils proposent, dès le départ les constructeurs mettent en œuvre cette structure primitive en y apportant des améliorations visant notamment à augmenter ses performances (vitesse, consommation, immunité au bruit, fan-out, fan-in, etc.).

En particulier, le transistor d'amplification et d'inversion n'est plus connecté directement à la sortie du circuit logique, mais il pilote un étage amplificateur push-pull (totem-pole), ou à trois-états, ou à collecteur ouvert.

Mise en évidence (en jaune) de la structure TTL proposée par James L. Buie en 1961[1] dans le schéma d'une porte ET-OU-NON du circuit SN7451 (TTL standard) de Texas Instruments[3]. Les transistors d'amplification et d'inversion pilotent un étage de sortie de type totem-pole et chaque entrée présente une diode de clampage.

Schéma d'une porte NON-ET à collecteur ouvert du circuit SN74L03 (Low-power TTL) de Texas Instruments[3]. On y retrouve la structure TTL de James L. Buie, à laquelle deux résistances et un transistor de sortie ont été adjoints.

La présence systématique de cet étage de sortie a conduit à normaliser les seuils de tension des niveaux logiques TTL à des valeurs supérieures à celles de la structure primitive de Buie (0,8 V et 2 V[4] au lieu de 0,2 V et 0,8 V environ[1] pour les niveaux bas et haut respectivement).

Les séries de circuits TTL les plus récentes (LS, F, AS, ALS) mettent en œuvre des structures dans lesquelles le couplage des entrées n'est plus réalisé par un transistor mais par un montage à base de diodes Schottky. Néanmoins, comme ces séries découlent directement des premières séries TTL et en reproduisent les caractéristiques essentielles et une grande partie de la structure, les constructeurs ont continué de les qualifier de « TTL ». Toutefois, il apparaît que ce point de vue a été abandonné dans leurs documentations techniques les plus récentes.

Schéma d'une porte du circuit SN74LS00 (Low-power Schottky) de Texas Instruments[3]. On constate la présence de diodes Schottky entre les entrées A et B et la base du transistor d'amplification et d'inversion.

Caractéristiques

Alimentation

La technologie TTL est normalisée pour une tension d'alimentation (V_CC) de 5 V.

La tolérance sur la tension d'alimentation est de ±5 % (±0,25 V) pour les séries commerciales et industrielles (caractéristiques et fonctionnement garantis entre 0 °C et +70 °C), et de ±10 % (±0,5 V) pour les séries militaires (caractéristiques et fonctionnement garantis entre −55 °C et +125 °C).

Comparaison de la consommation de courant de circuits 74x00 TTL et HCMOS (4 portes NAND) en fonction de la fréquence (d'après Fairchild AN-319,1983).

La consommation de courant sur l'alimentation dépend de la complexité du circuit et de la série TTL à laquelle il appartient. Cette consommation varie avec la température, les états logiques et les courants circulant au travers des entrées et sorties. Elle augmente également avec la fréquence des transitions logiques quand cette fréquence devient élevée (toutes autres conditions étant fixées par ailleurs, la consommation moyenne reste pratiquement constante aux basses fréquences).

Exemples de consommation de courant :


Circuit	I_CCH		I_CCL		Unité
Circuit	typ.	max.	typ.	max.	Unité
SN7400	4	8	12	22	mA
SN74LS00	0,8	1,6	2,4	4,4	mA
SN74S00	10	16	20	36	mA

I_CCH : courant d'alimentation, sorties à l'état haut
I_CCL : courant d'alimentation, sorties à l'état bas
typ. : valeur typique ; max. : valeur maximale
Source : datasheet des circuits SN74x00 (4 portes NAND à deux entrées), Texas Instruments, 1983

Tensions et courants d'entrée et de sortie

Un signal TTL est défini comme niveau logique bas entre 0 V et 0,8 V (V_IL), et comme niveau logique haut entre 2,0 V et 5 V (V_IH)[5]. Lorsqu'il est appliqué à l'entrée d'un circuit TTL, un signal conforme à ces plages de tension garantit la bonne interprétation des niveaux logiques correspondants. Ces niveaux varient légèrement entre les différentes séries et selon le constructeur (par exemple V_IL est réduite à 0,7 V pour le SN54LS00 de Texas Instruments).

Par ailleurs, afin de garantir une relative immunité au bruit, les signaux logiques produits par la sortie d'un circuit TTL correspondent à des plages de tension spécifiées plus réduites : la tension de sortie minimale au niveau haut V_OH est supérieure à V_IH, et la tension de sortie maximale au niveau bas V_OL est inférieure à V_IL. Le circuit supporte un bruit d'autant plus important que les différences entre V_OH et V_IH d'une part (marge de bruit à l'état haut) et entre V_IL et V_OL d'autre part (marge de bruit à l'état bas) sont élevées.

Limites spécifiées et zones de fonctionnement d'une porte inverseuse. En restreignant la caractéristique de transfert entrée-sortie des portes logiques aux zones 4, 5 et 6, les limites V_IL, V_IH, V_OL et V_OH spécifiées par les constructeurs garantissent que lorsqu'une tension conforme est présentée à l'entrée d'une porte TTL, celle-ci produit en sortie une tension qui, même affectée d'un bruit limité (tension parasite induite), sera à son tour correctement interprétée par l'entrée d'une porte TTL.

Caractéristiques de transfert entrée-sortie typiques d'une porte logique TTL Low-power Schottky 74LS00 à différentes températures, d'après Fairchild Semiconductor[4].

Caractéristiques de transfert entrée-sortie typiques d'une porte logique TTL Low-power Schottky 74LS00 à différentes températures, pour une tension d'alimentation faible (4,5 V) et un courant de sortie à l'état haut élevé (0,4 mA), d'après Fairchild Semiconductor[6].

Exemple de niveaux de tension, spécifiés pour les portes logiques TTL de Fairchild Semiconductor[4], avec les marges de bruit correspondantes :


Limites, en V
Séries TTL commerciales (0°C à +70°C)		Entrée		Sortie
Séries TTL commerciales (0°C à +70°C)		V_IL	V_IH	V_OL	V_OH
74	Standard TTL	0,8	2,0	0,4	2,4
74H	High-speed TTL	0,8	2,0	0,4	2,4
74L	Low-power TTL	0,8	2,0	0,3	2,4
74S	Schottky TTL	0,8	2,0	0,5	2,7
74LS	Low-power Schottky TTL	0,8	2,0	0,5	2,7


Marges de bruit, en V
au niveau BAS (V_IL-V_OL)						au niveau HAUT (V_OH-V_IH)
De :	Vers :					De :	Vers :
De :	74	74H	74L	74S	74LS	De :	74	74H	74L	74S	74LS
74	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	74	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
74H	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4	74H	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
74L	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	74L	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
74S	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	74S	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7
74LS	0,3	0,3	0,3	0,3	0,3	74LS	0,7	0,7	0,7	0,7	0,7


Limites, en V
Séries TTL militaires (-55°C à +125°C)		Entrée		Sortie
Séries TTL militaires (-55°C à +125°C)		V_IL	V_IH	V_OL	V_OH
54	Standard TTL	0,8	2,0	0,4	2,4
54H	High-speed TTL	0,8	2,0	0,4	2,4
54L	Low-power TTL	0,7	2,0	0,3	2,4
54S	Schottky TTL	0,8	2,0	0,5	2,5
54LS	Low-power Schottky TTL	0,7	2,0	0,4	2,5


Marges de bruit, en V
au niveau BAS (V_IL-V_OL)						au niveau HAUT (V_OH-V_IH)
De :	Vers :					De :	Vers :
De :	54	54H	54L	54S	54LS	De :	54	54H	54L	54S	54LS
54	0,4	0,4	0,3	0,4	0,4	54	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
54H	0,4	0,4	0,3	0,4	0,4	54H	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
54L	0,5	0,5	0,4	0,5	0,5	54L	0,4	0,4	0,4	0,4	0,4
54S	0,3	0,3	0,2	0,3	0,3	54S	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
54LS	0,4	0,4	0,3	0,4	0,3	54LS	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5

Les conditions dans lesquelles ces niveaux de sortie sont définis varient selon la série TTL et l'état logique considérés, et peuvent varier légèrement d'un constructeur à l'autre. Les spécifications précisent notamment :

I_OL, la valeur maximale du courant produit par la sortie à la limite de tension spécifiée V_OL (état bas)
I_OH, la valeur maximale (en valeur absolue) du courant produit par la sortie à la limite de tension spécifiée V_OH (état haut)
I_IL, la valeur maximale (en valeur absolue) du courant résultant de l'application sur l'entrée d'un niveau logique bas
I_IH, la valeur maximale du courant résultant de l'application sur l'entrée d'un niveau logique haut.

NB : par convention, les courants sont négatifs quand ils sortent du composant.

Caractéristique tension-courant typique de l'entrée d'une porte logique TTL Low-power Schottky 74LS00, l'autre entrée étant maintenue au niveau haut, d'après Fairchild Semiconductor[4].

L'entrée d'une porte TTL émet un courant notable à l'état bas (I_IL) et absorbe un courant très faible à l'état haut (I_IH), de quelques dizaines de µA au maximum. Par ailleurs, la capacité parasite de l'entrée doit être chargée ou déchargée par un courant durant les transitions. Ainsi, pour garantir le respect des niveaux logiques et pour limiter la durée des transitions, une sortie TTL connectée à une ou plusieurs entrées TTL doit pouvoir drainer un courant notable vers la masse à l'état bas et produire un courant beaucoup plus faible (mais néanmoins significatif) à l'état haut.

Il en résulte que les niveaux de tension de sortie des circuits TTL sont généralement définis pour des courants maximums nettement plus importants à l'état bas (I_OL) qu'à l'état haut (I_OH).

Il existe néanmoins des exceptions, comme celle des tampons TTL (buffers, en anglais) et pilotes de ligne de transmission (line drivers, en anglais), qui sont capables de fournir un courant important à l'état haut. À titre de comparaison :


Circuit TTL	Fonction	Limites spécifiées
Circuit TTL	Fonction	I_OH @ V_OH	I_OL @ V_OL
DM74LS04	6 portes inverseuses (opérateur NON), avec entrées à hystérésis	−0,4 mA @ 2,7 V	4 mA @ 0,4 V 8 mA @ 0,5 V
DM74LS240	2 × 4 tampons inverseurs, avec entrées à hystérésis et sorties à trois états	−1 mA @ 2,7 V −3 mA @ 2,4 V −15 mA @ 2,0 V	12 mA @ 0,4 V 24 mA @ 0,5 V

Caractéristiques tension-courant typiques de la sortie d'une porte TTL standard SN7400, d'après Texas Instruments[7].
H = sortie au niveau haut (1 logique)
L = sortie au niveau bas (0 logique)

Exemple de niveaux de tension et de courant spécifiés pour les portes logiques de Texas Instruments[8] :


Séries TTL	Courants en mA				Tensions en V
	Sortie		Entrée		Sortie		Entrée
	I_OH	I_OL	I_IH	I_IL	V_OH	V_OL	V_IH	V_IL
54/74	-0,4	16	0,04	-1,6	2,4	0,4	2,0	0,8
54H/74H	-0,5	20	0,05	-2	2,4	0,4	2,0	0,8
54L	-0,1	2	0,01	-0,18	2,4	0,3	2,0	0,7
74L	-0,2	3,6	0,01	-0,18	2,4	0,4	2,0	0,7
54LS	-0,4	4	0,02	-0,4	2,5	0,4	2,0	0,7
74LS	-0,4	8	0,02	-0,4	2,7	0,5	2,0	0,8
54S	-1	20	0,05	-2	2,5	0,5	2,0	0,8
74S	-1	20	0,05	-2	2,7	0,5	2,0	0,8
54AS/74AS	-2	20	0,02	-0,5	2,5	0,5	2,0	0,8
54ALS	-0,4	4	0,02	-0,1	2,5	0,4	2,0	0,8
74ALS	-0,4	8	0,02	-0,1	2,5	0,4	2,0	0,8

Ces limites de tensions et de courants permettent de définir la sortance (ou fan-out, en anglais), qui est le nombre maximum d'entrées de portes logiques auxquelles la sortie d'une porte logique peut être connectée.

Le tableau suivant, qui concerne les portes logiques TTL de Texas Instruments[8], distingue la sortance au niveau haut de la sortance au niveau bas afin de pouvoir considérer l'interconnexion de portes appartenant à des séries TTL différentes :


Sortances par niveau logique, en fonction des séries TTL
De :	Niveau logique	Vers :
De :	Niveau logique	54 74	54H 74H	54L 74L	54LS 74LS	54S 74S	54AS 74AS	54ALS 74ALS
54 74	H	10	8	40	20	8	20	20
54 74	L	10	8	88,89	40	8	32	160
54H 74H	H	12,5	10	50	25	10	25	25
54H 74H	L	12,5	10	111,11	50	10	40	200
54L	H	2,5	2	10	5	2	5	5
54L	L	1,25	1	11,11	5	1	4	20
74L	H	5	4	20	10	4	10	10
74L	L	2,25	1,8	20	9	1,8	7,2	36
54LS	H	10	8	40	20	8	20	20
54LS	L	2,5	2	22,22	10	2	8	40
74LS	H	10	8	40	20	8	20	20
74LS	L	5	4	44,44	20	4	16	80
54S 74S	H	25	20	100	50	20	50	50
54S 74S	L	12,5	10	111,11	50	10	40	200
54AS 74AS	H	50	40	200	100	40	100	100
54AS 74AS	L	12,5	10	111,11	50	10	40	200
54ALS	H	10	8	40	20	8	20	20
54ALS	L	2,5	2	22,22	10	2	8	40
74ALS	H	10	8	40	20	8	20	20
74ALS	L	5	4	44,44	20	4	16	80

H : niveau haut ; L : niveau bas
Les cases grisées du tableau mettent en correspondance des entrées et sorties de portes logiques appartenant à la même série TTL.

Considérant la sortie d'une porte logique, chaque entrée qui y est connectée consomme une fraction de sa sortance. Pour qu'un montage soit correct, il est nécessaire que la somme de ces fractions ne dépasse pas la sortance disponible, ni au niveau haut, ni au niveau bas.

Par exemple, d'après le tableau précédent, la sortie d'une porte 74L peut être connectée simultanément à l'entrée d'une porte 74H et de trois portes 74AS, car :

au niveau haut (H) : 1 − $1 / 4$ − $3 / 10$ ≥ 0
au niveau bas (L) : 1 − $1 / 1,8$ − $3 / 7,2$ ≥ 0

A contrario, il n'est pas possible de connecter l'entrée de six portes 74H à la sortie d'une porte 74LS, car si l'on a bien 1 − $6 / 8$ ≥ 0 au niveau haut, on a 1 − $6 / 4$ < 0 au niveau bas.

Remarque : la sortance n'est pas définie relativement au nombre d'entrées physiques de circuits logiques, mais relativement à un nombre équivalent d'entrées de portes logiques classiques, du point de vue des caractéristiques électriques garanties. Ainsi, on doit notamment tenir compte du fait qu'un tampon peut présenter une sortance supérieure à celle d'une porte logique classique, ou encore que l'entrée d'un circuit logique complexe peut être connectée à plusieurs entrées de ses portes logiques internes.

Comportement dynamique

Les systèmes numériques électroniques sont caractérisés par différents délais dans la propagation des signaux à travers les circuits logiques et à travers leurs interconnexions. Ces délais limitent leur vitesse de fonctionnement et sont susceptibles d'affecter le comportement des circuits de logique séquentielle.

Néanmoins, ces délais confèrent aux circuits une relative immunité aux courtes impulsions parasites.

Amplitudes et durées maximales des impulsions présentées à l'entrée d'une porte ne provoquant pas de modification de l'état logique haut sur la sortie, pour différentes séries TTL (d'après Fairchild[4]).
On constate que les portes TTL Schottky (série 74S) sont plus rapides que les portes TTL standard (série 7400), mais qu'elles sont sensibles à des impulsions parasites plus courtes et de plus faible amplitude.

Les délais de propagation des signaux à l'intérieur d'un même circuit intégré dépendent de sa complexité et de la série TTL utilisée. Ils peuvent varier selon le sens des transitions (montant ou descendant) et selon les conditions d'utilisation (température, tension d'alimentation, charge extérieure).

On les définit comme suit :

Définition des temps de propagation d'après Fairchild[4]

t_PHL = temps de propagation d'un signal logique produisant une transition haut→bas sur la sortie
t_PLH = temps de propagation d'un signal logique produisant une transition bas→haut sur la sortie

Exemples de temps de propagation spécifiés pour les portes NON-ET ('00) de différentes séries TTL :

d'après Fairchild[4]


Série TTL	54/7400		54/74H00		54/74S00		54/74LS00		Unité
Valeurs	Min	Max	Min	Max	Min	Max	Min	Max	Unité
t_PHL	–	15	–	10	2.0	4.5	–	10	ns
t_PLH	–	22	–	10	2.0	4.5	–	10	ns
Conditions	C_L=15 pF R_L=400 Ω		C_L=15 pF R_L=280 Ω		C_L=15 pF R_L=280 Ω		C_L=15 pF –

d'après Texas Instruments[9]

Définition des temps de propagation d'après Texas Instruments[3]


Porte TTL	SN54/7400		SN54/74S00		SN54/74LS00		Unité
Valeurs	typ.	max.	typ.	max.	typ.	max.	Unité
t_PHL	7	15	3	5	10	15	ns
t_PLH	11	22	3	4.5	9	15	ns
Conditions	C_L=15 pF R_L=400 Ω		C_L=15 pF R_L=280 Ω		C_L=15 pF R_L=2 kΩ

Valeurs mesurées à T_A = 25 °C (température ambiante) et V_CC = 5 V
C_L, R_L : charge de test connectée à la sortie de la porte
min. : valeur minimale ; typ. valeur typique ; max. : valeur maximale

Les temps de transition du signal à la sortie d'une porte logique intervenant dans les délais de propagation, ces derniers augmentent lorsque la charge connectée à la sortie est plus importante :

Évolution des temps de propagation des portes 54/74LS (Low-power Schottky) en fonction de la capacité de charge C_L, d'après Texas Instruments[3].

Les délais d'établissement des niveaux logiques transmis entre une sortie TTL et les entrées qui y sont connectées dépendent de la mise en œuvre des circuits intégrés (géométrie des conducteurs électriques, nature des isolants) et des caractéristiques électriques de cette sortie (sortance) et de ces entrées (entrance).

Pour les interconnexions réalisées sur des distances assez faibles, les conducteurs de liaison sont assimilables à des capacités parasites et les signaux ne subissent pas de dégradations notables propres aux lignes de transmission (réflexions et suroscillations notamment – ces dégradations sont favorisées par le caractère variable des impédances d'entrée et de sortie des circuits TTL, lesquelles ne peuvent donc correspondre en permanence à l'impédance caractéristique fixe de la ligne de transmission). Les temps de transition des signaux transmis dépendent, d'une part, de la somme de ces capacités parasites et de celles des entrées TTL et, d'autre part, des courants que la sortie TTL est capable de produire pour charger et décharger l'ensemble de ces capacités. Les transitions sont d'autant plus courtes que les capacités sont faibles et que les courants sont élevés.

Exemple de longueurs maximales d'interconnexion sans effet notable propre aux lignes de transmission, pour différentes séries TTL (d'après Fairchild[4]) :


Série TTL	Temps de montée	Temps de descente	Longueur maximale
54/74	6 à 9 ns	4 à 6 ns	45 cm
54/74H, 54/74LS	4 à 6 ns	2 à 3 ns	22,5 cm
54/74S	1,8 à 2,8 ns	1,6 à 2,6 ns	19 cm

(Valeurs relevées pour une vitesse de propagation de 5,6 ns/m, sur circuit imprimé en verre epoxy de constante diélectrique ε_r = 4,7)

Mis à part quelques références spécifiques (p. ex. les tampons 74S140) et les séries les plus récentes (AS et ALS notamment), les circuits logiques TTL n'ont pas été conçus pour être interconnectés au travers de lignes de transmission, en dépit des dispositifs internes ajoutés pour contrecarrer certains de leurs effets (p. ex. les diodes de clampage présentes sur les entrées pour absorber les suroscillations). Ils réclament donc des efforts de conception particuliers quand la longueur des interconnexions devient trop importante.

Compatibilité TTL

Quand une famille de circuits logiques basée sur une technologie différente de la technologie TTL présente des caractéristiques conformes aux limites spécifiées communes aux circuits TTL (tensions et courants), on la qualifie de « compatible TTL ». Ces circuits sont conçus pour remplacer les circuits en technologie TTL tout en améliorant les performances (immunité au bruit, consommation électrique, vitesse, etc.) ou pour y être directement interconnectés. Dans leur cas, on peut encore parler de signaux TTL et de niveaux logiques TTL, mais plus de circuits TTL.

Les familles de circuits HCMOS compatibles TTL (HCT), Advanced CMOS compatibles TTL (ACT), Advanced BiCMOS Technology (ABT), Low Voltage Technology (LVT) et Advanced LVT (ALVT) en sont des exemples.

Les circuits des familles LVT et ALVT, réalisés en technique BiCMOS, sont qualifiés de compatibles LVTTL (Low Voltage TTL, ou « TTL basse tension » en français) du fait de leur tension d'alimentation réduite à 3,3 V (au lieu de 5 V pour la famille TTL) et de la compatibilité TTL de leurs niveaux logiques. Néanmoins, certains de ces circuits ayant la capacité de fonctionner sous des tensions d'alimentation encore plus faibles (p. ex. 2,5 V[10]), ils perdent leur compatibilité TTL lorsqu'ils sont utilisés dans ces conditions.

Comparaison des niveaux logiques de quelques familles de circuits (d'après Texas Instruments). Les circuits des séries ALVC et AUP sont compatibles LVTTL mais, contrairement aux séries LVT, ALVT et LVC, leurs entrées ne supportent pas de recevoir une tension de 5 V.

Toutefois, lorsque les circonstances particulières le permettent, il est possible qu'un circuit logique dont les caractéristiques ne sont pas totalement conformes aux spécifications des circuits TTL puisse tout de même y être directement interconnecté. Par exemple, moyennant une réduction des tolérances, on peut interconnecter directement une porte TTL et une porte 74LVC alimentée en 2,5 V, et la sortie d'une porte 74HC alimentée en 5 V peut piloter directement l'entrée d'une porte TTL (l'inverse n'est pas permis).

Avantages

Cette famille de composants allie une bonne vitesse de commutation à un faible temps de transfert.
L'immunité aux parasites est bonne à condition de découpler l'alimentation au plus près de chaque circuit par un condensateur de filtrage.
Par défaut, une entrée en l'air (sans niveau de tension fixé extérieurement) est à l'état logique « 1 » (elle ne débite un courant notable que lorsqu'on la force à l'état logique « 0 », où elle se comporte de façon équivalente à une résistance de rappel à V_CC=5 V). Néanmoins, les constructeurs préconisent de toujours connecter une entrée restant à l'état logique « 1 » à un potentiel fixe supérieur à 2,5 V, afin notamment de ne pas dégrader les performances dynamiques des autres entrées de la porte logique TTL.

Inconvénients

L'alimentation des circuits TTL doit être précise : +5 V ±5 %, en comparaison aux circuits CMOS qui ont, eux, une plage de tension d'alimentation bien plus vaste (de +3 à +18 V). En cas de non-respect de cet impératif, on risque, au mieux, un fonctionnement erratique du circuit, et au pire, une destruction partielle ou complète du circuit.
La technique bipolaire est grande consommatrice de courant électrique ; les mémoires en TTL sont certes rapides, mais ne peuvent guère être sauvegardées bien longtemps en cas de coupure d'alimentation.
On ne peut transmettre les signaux émis par les circuits TTL sans circuits de transmission additionnels sur de grandes distances sans pertes : longueur maximum environ 15 m.

La famille TTL

Durant les années qui ont suivi l'invention de la technologie TTL, les différents constructeurs de circuits intégrés ont proposé des composants TTL relativement disparates en termes de configuration et de désignation. Initiée par Texas Instruments, la série de circuits 5400 et sa déclinaison 7400 (pour les applications commerciales et industrielles courantes, par opposition aux applications spatiales et militaires plus exigeantes) s'est ensuite imposée comme une référence commune.

Depuis lors, la désignation d'un circuit de la famille TTL est généralement composée du nombre 74 ou 54, suivi éventuellement d'une ou plusieurs lettres correspondant à la série liée à une évolution majeure de la technologie TTL (absence de lettre pour la série standard) puis d'un nombre de deux à quatre chiffres correspondant à la fonction logique réalisée par le circuit. Elle peut contenir un préfixe spécifique au constructeur (p. ex. SN pour Texas Instruments) et un suffixe qui apporte des informations complémentaires telles que le type de boîtier (p. ex. N pour les boîtiers DIP en plastique) ou une variante dans les spécifications.

Les principales séries appartenant à la famille TTL sont :

TTL[11] - [12] : série standard
TTL-L[11] (Low power) : série à faible consommation
TTL-H[4] (High-speed) : série rapide
TTL-S[11] - [12] (Schottky) : série rapide à transistors Schottky
TTL-LS[11] - [12] (Low power Schottky) : combinaison des technologies L et S, c'est la famille la plus répandue
TTL-F[13] (FAST : Fairchild Advanced Schottky Technology)
TTL-AS[14] (Advanced Schottky) : version améliorée de la série S
TTL-ALS[15] (Advanced Low power Schottky) : version améliorée de la série LS

Évolutions

Afin de combiner les avantages des techniques bipolaire (vitesse) et CMOS (faible consommation, large plage de tension) les ingénieurs se sont attachés à concevoir d'autres types de circuit logique reprenant les fonctions des séries TTL classiques. Dans l'ordre chronologique :

HCMOS 74HCxx (incompatible avec les niveaux logiques TTL, V_CC = 2 V à 6 V, temps de propagation minimal = 20 ns pour V_CC = 6 V, au-delà de 100 ns pour V_CC = 2 V).
HCMOS compatible TTL 74HCTxx (V_CC = 4,5 V à 5,5 V, temps de propagation typique = 20 ns).
Advanced BiCMOS 74ABTxx (compatible TTL, combine les technologies CMOS et bipolaire pour une faible consommation et des courants de sortie élevés, temps de propagation typique = 3 ns)
Advanced HCMOS 74AHCxx (incompatible avec les niveaux logiques TTL, plus rapide que 74HCxx, temps de propagation typique = 5 ns)
Advanced HCMOS compatible TTL 74AHCTxx (plus rapide que 74HCTxx, temps de propagation typique = 5 ns)
Low-Voltage BiCMOS Technology 74LVTxx (compatible TTL avec une tension d'alimentation de 3,3V, combine les technologies CMOS et bipolaire, temps de propagation typique = 2 ns)
Advanced Low-Voltage BiCMOS Technology 74ALVTxx (plus rapide que 74LVTxx, temps de propagation typique = 1,5 ns)

Exemples

Circuit 7400

TTL NAND

Le circuit 7400 est un quadruple « NON-ET » (NAND).

On alimente le circuit de la manière suivante : V_CC sur la broche 14 (+5 V) et la masse sur la broche 7.

On peut utiliser chacune des quatre portes de la manière suivante :

porte NAND-1, entrées A et B sur les broches 1 et 2, sortie sur la broche 3.
porte NAND-2, entrées A et B sur les broches 4 et 5, sortie sur la broche 6.
porte NAND-3, entrées A et B sur les broches 9 et 10, sortie sur la broche 8.
porte NAND-4, entrées A et B sur les broches 12 et 13, sortie sur la broche 11.

Bien sûr les portes sont indépendantes les unes des autres, si certaines des portes ne sont pas utilisées, on peut relier leurs entrées A et B au +V_CC (ou à la masse) et laisser la sortie « en l'air ».

Note : les entrées A et B sont interchangeables l'une avec l'autre.

Compteur 7490

TTL 7490

Le compteur 7490 est un compteur asynchrone décimal (composé de 4 bascules JK).

Notes et références

(en) Brevet US3283170A déposé le 8 septembre 1961 par James L. Buie
(en) New forms of all-transistor logic par R. Beeson et H. Ruegg - 1962 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. DOI: 10.1109/ISSCC.1962.1157368
(en) The TTL Data Book Vol. 2 Texas Instruments 1985
(en) TTL Data Book Fairchild 1978
(en) Logic voltage levels
(en) DC Electrical Characteristics of MM74HC high-Speed CMOS Logic, Fairchild 1998 (page 2, comparaison avec LS00)
(en) Input and Output Characteristics of Digital Integrated Circuits, Texas Instruments, 1996
(en) Texas Instruments Advanced Schottky Family, 1985
(en) SNx400, SNx4LS00, and SNx4S00 Quadruple 2-Input Positive-NAND Gates, Texas Instruments, 1983 rev. 2017
(en) 74ALVT16952 2.5V/3.3V ALVT 16-bit registered transceiver (3-State), Philips Semiconductors, 1998
(en) LS/S/TTL Logic Databook National Semiconductor 1989
(en) TTL Logic - Standard TTL, Schottky, Low-Power Schottky Data Book Texas Instruments 1988
(en) FAST - Fairchild Advanced Schottky TTL Fairchild 1981
(en) Advanced Schottky Databook National Semiconductor 1982
(en) LSI Logic Data Book Texas Instruments 1986

Voir aussi

Liens externes

Circuits intégrés logiques TTL
Technologie des fonctions logiques TTL et CMOS
Circuits TTL 74xx, contient une liste de circuits TTL

Cet article est issu de wikipedia. Text licence: CC BY-SA 4.0, Des conditions supplémentaires peuvent s’appliquer aux fichiers multimédias.