منطق الترانزستور-الترانزستور

منطق الترانزستور-الترانزستور ( TTL ) هو عائلة منطقية مبنية من ترانزستورات ثنائية القطب (BJTs). يشير اسمه إلى أن الترانزستورات تؤدي كلاً من الوظيفة المنطقية (الترانزستور الأول) ووظيفة التضخيم (الترانزستور الثاني)، على عكس منطق المقاومة-الترانزستور (RTL) ومنطق الثنائي-الترانزستور (DTL) السابقين.

استُخدمت الدوائر المتكاملة TTL على نطاق واسع في تطبيقات مثل أجهزة الكمبيوتر ، وأجهزة التحكم الصناعية، ومعدات وأجهزة الاختبار، والإلكترونيات الاستهلاكية ، وأجهزة المزج . ^{[ 1 ]}

بعد طرحها كدوائر متكاملة عام 1963 من قِبل شركة سيلفانيا إلكتريك برودكتس ، تولّت العديد من شركات أشباه الموصلات تصنيع دوائر TTL المتكاملة. وحققت سلسلة 7400 من شركة تكساس إنسترومنتس شهرة واسعة. وقدّمت شركات تصنيع TTL مجموعة واسعة من البوابات المنطقية ، والقلابات ، والعدادات، وغيرها من الدوائر. كما وفّرت بعض التعديلات على تصميم دائرة TTL الأصلية سرعات أعلى أو استهلاكًا أقل للطاقة لتحسين التصميم. صُنعت أجهزة TTL في الأصل في عبوات ثنائية الخط من السيراميك والبلاستيك ، بالإضافة إلى العبوات المسطحة. وتُصنع بعض رقائق TTL الآن بتقنية التركيب السطحي .

أصبحت تقنية TTL أساسًا لأجهزة الكمبيوتر وغيرها من الإلكترونيات الرقمية. وحتى بعد أن جعلت معالجات الدوائر المتكاملة CMOS ذات التكامل واسع النطاق (VLSI) المعالجات متعددة الرقائق قديمة، ظلت أجهزة TTL تُستخدم على نطاق واسع كوصلة منطقية رابطة بين المكونات الأكثر تكاملاً.

وُصفت دوائر المنطق المقترنة بالترانزستورات في أوائل عام 1962 من قِبل آر إتش بيسون وإتش دبليو رويج من شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات في بحث بعنوان "أشكال جديدة من منطق الترانزستورات بالكامل"، والذي عُرض في المؤتمر الدولي لدوائر الحالة الصلبة التابع لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات، حيث أُشير إلى هذا النهج صراحةً باسم منطق الترانزستور-الترانزستور (TTL أو T²L). ^{[ 2 ]} وفي نفس الفترة تقريبًا، في شركة باسيفيك لأشباه الموصلات (التي استحوذت عليها لاحقًا شركة تي آر دبليو )، وصف جيمس إل بوي دوائر مماثلة باسم منطق الترانزستور المقترن بالترانزستور (TCTL)، مميزًا إياها عن منطق الترانزستور المقترن بالديود ( DCTL ). ^{[ 3 ]}

كما لخصها لاحقًا متحف تاريخ الحاسوب ، حدثت هذه التطورات بالتوازي في العديد من الشركات خلال أوائل الستينيات. ^{[ 4 ]} في عام 1962، أشار غوردون مور ، الذي كان يعمل آنذاك في شركة فيرتشايلد، إلى هذا النهج باسم T²L، ولاحظ أنه على الرغم من بساطته وملاءمته للتكامل، إلا أنه كان يعاني من انخفاض مقاومة الضوضاء و"استهلاك كبير للتيار"، مما حدّ من عدد المدخلات والمخرجات؛ وقد أدى إضافة المكونات اللازمة لتصحيح هذه العيوب إلى تقليل مزاياه. ^{[ 5 ]} بعد ذلك، اتجهت شركة فيرتشايلد نحو منطق الثنائيات والترانزستورات كعائلة إنتاجها التالية.

بحلول منتصف الستينيات، كانت هناك مجموعة واسعة من عائلات المنطق قيد الاستخدام، بما في ذلك RTL وRCTL وDCTL وLLL وCML وDTL، مع ظهور TTL كعائلة إضافية. ^{[ 6 ]}

أدى العمل في شركة سيلفانيا تحت إشراف توم لونغو إلى تطوير منطق الترانزستورات المترابطة ليصبح عائلة مدعومة تجاريًا، تم طرحها في عام 1963 تحت اسم سيلفانيا يونيفرسال هاي-ليفل لوجيك (SUHL). ^{[ 7 ]} تم تقديم طلبات براءات اختراع للتصميم في مايو ويونيو 1963. ^{[ 8 ] [ 9 ]} استُخدمت مكونات سيلفانيا في تطبيقات شملت أنظمة التحكم في صاروخ فينيكس . ^{[ 7 ]}

قامت شركة تكساس إنسترومنتس لاحقًا بتوحيد ونشر تقنية TTL مع سلسلة 5400 في عام 1964 وسلسلة 7400 في عام 1966. ^{[ 10 ]} وفي رواية تاريخية لاحقة، ذكر توم لونغو أن تطبيق تكساس إنسترومنتس المبكر لسلسلة 54 اتبع بدقة تصميم الدائرة الذي وصفه علنًا في عام 1963، مع تمييز منتجاتها من خلال نقل دبابيس إمداد الطاقة إلى زوايا العبوة، بالإضافة إلى التغليف وخفض التكاليف وزيادة حجم الإنتاج. ^{[ 11 ]} أصبحت عائلة تكساس إنسترومنتس 7400 معيارًا صناعيًا فعليًا. تم تصنيع الأجزاء المتوافقة من قبل العديد من شركات أشباه الموصلات، بما في ذلك موتورولا ، وإيه إم دي ، وفيرتشايلد، وإنتل ، وناشونال سيميكوندكتور ، وسيغنيتكس ، وسيمنز ، وغيرها، ^{[ 12 ] [ 13 ]} بما في ذلك الشركات المصنعة في الكتلة الشرقية (الاتحاد السوفيتي، وألمانيا الشرقية، وبولندا، وتشيكوسلوفاكيا، والمجر، ورومانيا). إضافةً إلى التطبيقات ثنائية القطب، تم لاحقًا إنتاج أجزاء متوافقة من سلسلة 7400 باستخدام تقنيات دوائر أخرى. وقد أنتجت شركة IBM ، وهي إحدى الشركات المصنعة الكبرى ، دوائر TTL غير متوافقة للاستخدام الداخلي؛ حيث استخدمت IBM تقنية TTL في أنظمة مثل IBM System/38 و IBM 4300 و IBM 3081. ^{[ 14 ]}

يُطلق مصطلح "TTL" على العديد من الأجيال المتعاقبة من الدوائر المنطقية ثنائية القطب ، مع تحسينات تدريجية في السرعة واستهلاك الطاقة على مدى عقدين تقريبًا. ولا تزال عائلة 74Fxx، التي طُرحت مؤخرًا، تُباع حتى اليوم (حتى عام 2019)، وقد استُخدمت على نطاق واسع حتى أواخر التسعينيات. أما 74AS/ALS Advanced Schottky فقد طُرحت في عام 1985. ^{[ 15 ]} وحتى عام 2008، استمرت شركة Texas Instruments في توريد الرقائق ذات الأغراض العامة ضمن العديد من عائلات التقنيات القديمة، وإن كان ذلك بأسعار مرتفعة. وعادةً ما لا تحتوي رقائق TTL على أكثر من بضع مئات من الترانزستورات. وتتراوح الوظائف داخل الحزمة الواحدة عمومًا من بضع بوابات منطقية إلى شريحة بت من المعالج الدقيق . كما اكتسبت TTL أهميةً كبيرةً نظرًا لانخفاض تكلفتها، مما جعل التقنيات الرقمية عمليةً من الناحية الاقتصادية للمهام التي كانت تُنفذ سابقًا بالطرق التناظرية. ^{[ 16 ]}

استخدم جهاز Kenbak-1 ، سلف الحواسيب الشخصية الأولى ، تقنية TTL لوحدة المعالجة المركزية بدلاً من شريحة المعالج الدقيق ، التي لم تكن متوفرة عام 1971. ^{[ 17 ]} كما استخدم جهاز Datapoint 2200 من عام 1970 مكونات TTL لوحدة المعالجة المركزية، وشكّل الأساس لمجموعة تعليمات 8008 ولاحقًا x86 . ^{[ 18 ]} أما محطتا عمل Xerox Alto (1973) و Star (1981) ، اللتان قدمتا واجهة المستخدم الرسومية ، فقد استخدمتا دوائر TTL مدمجة على مستوى وحدات الحساب والمنطق (ALUs) وشرائح البتات، على التوالي. واستمر استخدام منطق الربط المتوافق مع TTL بين الشرائح الكبيرة في معظم الحواسيب حتى تسعينيات القرن العشرين. وحتى ظهور المنطق القابل للبرمجة ، كان يُستخدم المنطق ثنائي القطب المنفصل لإنشاء نماذج أولية ومحاكاة البنى الدقيقة قيد التطوير.

على غرار DTL، تُعتبر TTL منطقًا يسحب التيار، إذ يجب سحب تيار من المدخلات لرفعها إلى مستوى جهد منطقي صفر. يجب أن تستوعب مرحلة القيادة ما يصل إلى 1.6 مللي أمبير من مدخل TTL قياسي، مع الحرص على عدم تجاوز الجهد 0.4 فولت. ^{[ 27 ]} تُصمم مرحلة الإخراج في معظم بوابات TTL الشائعة لتعمل بشكل صحيح عند قيادة ما يصل إلى 10 مراحل إدخال قياسية (مخرج من 10). في بعض الأحيان، تُترك مدخلات TTL عائمة لتوفير قيمة منطقية "1"، على الرغم من أن هذا الاستخدام غير مُستحسن. ^{[ 28 ]}

تعمل دوائر TTL القياسية بمصدر طاقة 5 فولت . تُعرَّف إشارة دخل TTL بأنها "منخفضة" عندما تتراوح بين 0  و0.8  فولت بالنسبة للطرف الأرضي، و"عالية" عندما تتراوح بين 2  و _VCC (5  فولت). ^{[ 29 ] [ 30 ]} وإذا أُرسلت إشارة جهد تتراوح بين 0.8  و2.0  فولت إلى مدخل بوابة TTL، فلن يكون هناك استجابة مؤكدة من البوابة، ولذلك تُعتبر "غير مؤكدة" (تختلف مستويات المنطق الدقيقة اختلافًا طفيفًا بين الأنواع الفرعية ودرجة الحرارة). عادةً ما تكون مخارج TTL محدودة بنطاقات أضيق تتراوح بين 0.0  و0.4  فولت للإشارة "المنخفضة"، وبين 2.4  وVCC _{للإشارة "العالية"، مما يوفر} مناعة ضد التشويش لا تقل عن 0.4  فولت . إن توحيد مستويات TTL شائع جدًا لدرجة أن لوحات الدوائر المعقدة غالبًا ما تحتوي على رقائق TTL من إنتاج العديد من الشركات المصنعة المختلفة، والتي يتم اختيارها بناءً على التوافر والتكلفة، مع ضمان التوافق. قد تحتوي وحدتا لوحة دوائر مطبوعة، تم إنتاجهما على خط التجميع نفسه في أيام أو أسابيع متتالية مختلفة، على مزيج مختلف من أنواع الرقائق في المواقع نفسها على اللوحة؛ ويمكن إصلاحها باستخدام رقائق مصنعة بعد سنوات من تصنيع المكونات الأصلية. ضمن حدود واسعة مفيدة، يمكن التعامل مع البوابات المنطقية كأجهزة منطقية مثالية دون القلق بشأن القيود الكهربائية. تُعد هوامش الضوضاء البالغة 0.4 فولت كافية نظرًا لانخفاض مقاومة خرج مرحلة القيادة، أي أن كمية كبيرة من طاقة الضوضاء المتراكبة على الخرج مطلوبة لدفع إشارة دخل إلى منطقة غير محددة. 

في بعض الحالات (مثلًا، عند الحاجة إلى استخدام خرج بوابة منطقية TTL لتشغيل مدخل بوابة CMOS)، يمكن رفع مستوى جهد مرحلة خرج "العمود" عند مستوى الخرج المنطقي "1" ليقترب من VCC _عن طريق توصيل مقاومة خارجية بين جامع V4 والجهد الموجب. تعمل هذه المقاومة على رفع جهد _كاثود V5 وقطع التيار عن الثنائي. ^{[ 31 ]} مع ذلك، فإن هذه التقنية في الواقع تحوّل خرج "العمود" المعقد إلى مرحلة خرج بسيطة ذات مقاومة خرج عالية عند تشغيل مستوى عالٍ (يُحدد بواسطة المقاومة الخارجية).

كما هو الحال مع معظم الدوائر المتكاملة في الفترة من 1963 إلى 1990، تُغلّف أجهزة TTL التجارية عادةً في عبوات ثنائية الخط (DIPs)، تحتوي عادةً على 14 إلى 24 طرفًا، ^{[ 32 ]} للتركيب عبر الثقوب أو المقابس. وكانت عبوات البلاستيك الإيبوكسي (PDIP) تُستخدم غالبًا للمكونات التجارية ذات نطاق درجات الحرارة العالية، بينما كانت العبوات الخزفية (CDIP) تُستخدم لأجزاء نطاق درجات الحرارة العالية العسكرية.

صُممت رقائق الدوائر المتكاملة ذات الأطراف الموصلة بدون تغليف لتجميعها في مصفوفات أكبر كدوائر متكاملة هجينة. أما المكونات المستخدمة في التطبيقات العسكرية والفضائية، فكانت تُغلف في عبوات مسطحة ، وهي نوع من عبوات التثبيت السطحي، ذات أطراف مناسبة للحام أو التوصيل بلوحات الدوائر المطبوعة. واليوم ، تتوفر العديد من الأجهزة المتوافقة مع TTL في عبوات التثبيت السطحي، والتي تتوفر بأنواع أكثر تنوعًا من عبوات التثبيت عبر الثقوب.

يُعدّ TTL مناسبًا بشكل خاص للدوائر المتكاملة ثنائية القطب، لأنّ إضافة مدخلات إلى البوابة لا تتطلب سوى باعثات إضافية على منطقة القاعدة المشتركة لترانزستور الإدخال. في حال استخدام ترانزستورات مُغلّفة بشكل فردي، فإنّ تكلفة جميع الترانزستورات ستُثني عن استخدام بنية الإدخال هذه. ولكن في الدائرة المتكاملة، لا تُضيف الباعثات الإضافية لمدخلات البوابة الإضافية سوى مساحة صغيرة.

قامت شركة IBM، وهي إحدى شركات تصنيع الحواسيب على الأقل، ببناء دوائر متكاملة بتقنية رقاقة الوصل المقلوب (Flip Chip) باستخدام تقنية TTL؛ وتم تركيب هذه الرقائق على وحدات خزفية متعددة الرقائق. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

تستهلك دوائر TTL طاقةً أكبر بكثير من دوائر CMOS المكافئة لها في وضع السكون، إلا أن استهلاك الطاقة لا يزداد مع سرعة الساعة بنفس سرعة دوائر CMOS. ^{[ 35 ]} بالمقارنة مع دوائر ECL الحديثة ، تستهلك دوائر TTL طاقةً أقل وتتميز بقواعد تصميم أسهل، ولكنها أبطأ بكثير. يمكن للمصممين دمج دوائر ECL وTTL في النظام نفسه لتحقيق أفضل أداء واقتصاد في استهلاك الطاقة، ولكن يلزم استخدام دوائر تحويل مستوى الإشارة بين هاتين الدائرتين المنطقيتين. كما أن دوائر TTL أقل حساسيةً للتلف الناتج عن التفريغ الكهروستاتيكي من دوائر CMOS القديمة.

بسبب بنية خرج أجهزة TTL، تكون مقاومة الخرج غير متناظرة بين حالتي الارتفاع والانخفاض، مما يجعلها غير مناسبة لتشغيل خطوط النقل. عادةً ما يتم التغلب على هذا العيب عن طريق تضخيم الخرج باستخدام أجهزة خاصة لتشغيل الخطوط عند الحاجة إلى إرسال الإشارات عبر الكابلات. أما ECL، بفضل بنية خرجها المتناظرة ذات المقاومة المنخفضة، فلا تعاني من هذا العيب.

غالبًا ما يحدث تداخل لحظي في بنية خرج TTL "ذات القطبين" عندما يكون كل من الترانزستور العلوي والسفلي موصلين، مما ينتج عنه نبضة تيار كبيرة مسحوبة من مصدر الطاقة. قد تتداخل هذه النبضات بطرق غير متوقعة بين حزم الدوائر المتكاملة المتعددة، مما يؤدي إلى انخفاض هامش الضوضاء وتراجع الأداء. عادةً ما تحتوي أنظمة TTL على مكثف فصل لكل حزمة أو حزمتين من الدوائر المتكاملة، بحيث لا تؤدي نبضة التيار من شريحة TTL واحدة إلى خفض جهد التغذية لشريحة أخرى بشكل لحظي.

منذ منتصف ثمانينيات القرن الماضي، بدأت عدة شركات مصنعة بتوفير دوائر منطقية بتقنية CMOS مكافئة بمستويات إدخال وإخراج متوافقة مع TTL، وعادةً ما تحمل أرقام أجزاء مشابهة لمكون TTL المكافئ وبنفس ترتيب الأطراف . على سبيل المثال، توفر سلسلة 74HCT00 العديد من البدائل المباشرة لأجزاء سلسلة 7400 ثنائية القطب ، ولكنها تستخدم تقنية CMOS . (يشير الحرف "T" في "HCT" إلى "متوافق مع TTL". أما سلسلة 74HC00 ذات الصلة فتستخدم أيضًا تقنية CMOS ولكنها غير متوافقة مع TTL).

أنتجت الأجيال المتعاقبة من التكنولوجيا أجزاءً متوافقة ذات استهلاك طاقة محسّن أو سرعة تبديل محسّنة، أو كليهما. على الرغم من أن البائعين سوّقوا بشكل موحد خطوط الإنتاج المختلفة هذه على أنها TTL مع ثنائيات شوتكي ، إلا أن بعض الدوائر الأساسية، مثل تلك المستخدمة في عائلة LS، يمكن اعتبارها DTL . ^{[ 36 ]}

تتضمن المتغيرات والخلفاء لعائلة TTL الأساسية، والتي تتميز بتأخير انتشار نموذجي للبوابة يبلغ 10 نانوثانية وتبديد طاقة يبلغ 10  ميلي واط لكل بوابة، من أجل منتج الطاقة والتأخير (PDP) أو طاقة التبديل التي تبلغ حوالي 100 بيكو جول ، ما يلي:

• TTL منخفض الطاقة (L)، والذي استبدل سرعة التبديل (33 نانوثانية) بتقليل استهلاك الطاقة (1  ميلي واط) (تم استبداله الآن بشكل أساسي بمنطق CMOS )
• TTL عالي السرعة (H)، مع تبديل أسرع من TTL القياسي (6 نانوثانية) ولكن مع تبديد طاقة أعلى بكثير (22  ميلي واط).
• تم تقديم دائرة شوتكي TTL (S) في عام 1969، والتي استخدمت مشابك ثنائية شوتكي عند مداخل البوابة لمنع تخزين الشحنة وتحسين زمن التبديل. عملت هذه البوابات بسرعة أكبر (3 نانوثانية) ولكنها استهلكت طاقة أعلى (19  ميلي واط).
• يستخدم نظام TTL منخفض الطاقة بتقنية شوتكي (LS) قيم المقاومة العالية لنظام TTL منخفض الطاقة وثنائيات شوتكي لتوفير مزيج جيد من السرعة (9.5  نانوثانية) واستهلاك الطاقة المنخفض (2  ميلي واط)، وPDP يبلغ حوالي 20 بيكو جول. ربما يكون هذا النوع هو الأكثر شيوعًا من أنظمة TTL، وقد تم استخدامه كمنطق ربط في الحواسيب الصغيرة، ليحل محل العائلات الفرعية السابقة H وL وS.
• ظهرت نسختان من LS، هما Fast (F) و Advanced-Schottky (AS)، من شركتي Fairchild و TI على التوالي، حوالي عام 1985، مزودتان بدوائر " Miller -killer" لتسريع الانتقال من الحالة المنخفضة إلى الحالة العالية. حققت هاتان العائلتان استهلاك طاقة (PDP) قدره 10 بيكو جول و 4 بيكو جول على التوالي، وهو الأدنى بين جميع عائلات TTL.
• TTL منخفض الجهد (LVTTL) لإمدادات الطاقة 3.3 فولت وواجهات الذاكرة، وهو مستوى جهد متوافق مع LVCMOS .

معظم الشركات المصنعة تقدم نطاقات درجات حرارة تجارية وممتدة: على سبيل المثال، يتم تصنيف أجزاء سلسلة Texas Instruments 7400  من 0 إلى 70 درجة مئوية، وأجهزة سلسلة 5400 ضمن نطاق درجة الحرارة المحدد عسكريًا من -55 إلى +125  درجة مئوية.

تتوفر مستويات جودة خاصة وأجزاء عالية الموثوقية للتطبيقات العسكرية والفضائية.

يتم توفير أجهزة مقاومة للإشعاع (على سبيل المثال من سلسلة SNJ54) لتطبيقات الفضاء.

قبل ظهور أجهزة VLSI ، كانت الدوائر المتكاملة TTL طريقة بناء قياسية لمعالجات الحواسيب الصغيرة والمتوسطة ، مثل DEC VAX و Data General Eclipse ؛ مع ذلك، اعتمدت بعض عائلات الحواسيب على مكونات خاصة (مثل Fairchild CTL)، بينما استخدمت الحواسيب العملاقة والحواسيب المركزية المتطورة منطق اقتران الباعث . كما استُخدمت هذه الدوائر في معدات مثل أجهزة التحكم الرقمي لآلات التشغيل، والطابعات، وشاشات العرض، ومع ازدياد وظائف المعالجات الدقيقة ، أصبحت تُستخدم في تطبيقات "منطق الربط"، مثل وحدات فك تشفير العناوين ومحركات ناقل البيانات، التي تربط بين وحدات الوظائف المُنفذة في عناصر VLSI. يُعد Gigatron TTL مثالًا أحدث (2018) لمعالج مبني بالكامل باستخدام دوائر متكاملة TTL.

• منطق المقاومة والترانزستور (RTL)
• قائمة الدوائر المتكاملة من سلسلة 7400

• دروس في الدوائر الكهربائية - المجلد الرابع - الرقمية ؛ توني كوفالدت؛ مشروع الكتاب المفتوح؛ 508 صفحات؛ 2007. (الفصل 3: البوابات المنطقية)

• شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات. مقدمة ومقارنة بين منطق CMOS المتوافق مع TTL 74HCT (ملاحظة التطبيق 368). 1984. (للحساسية النسبية للتفريغ الكهروستاتيكي بين TTL وCMOS).
• ملاحظات تطبيقية حول عائلة المنطق من شركة تكساس إنسترومنتس