Transistor-Transistor logic

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Composants TTL

Transistor-Transistor Logic ou TTL est une famille de circuits logiques utilisée en électronique inventée dans les années 1960. Cette famille est réalisée avec la technologie du transistor bipolaire et tend à disparaître du fait de sa consommation énergétique élevée (comparativement aux circuits CMOS).

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Alimentation[modifier | modifier le code]

La technologie TTL est normalisée pour une tension d'alimentation (VCC) de 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 ICCH ICCL Unité
typ. max. typ. max.
SN7400 4 8 12 22 mA
SN74LS00 0,8 1,6 2,4 4,4 mA
SN74S00 10 16 20 36 mA

ICCH : courant d'alimentation, sorties à l'état haut
ICCL : 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[modifier | modifier le code]

Un signal TTL est défini comme niveau logique bas entre 0 V et 0,8 V (VIL), et comme niveau logique haut entre 2,0 V et 5 V (VIH)[1]. 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 VIL 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 VOH est supérieure à VIH, et la tension de sortie maximale au niveau bas VOL est inférieure à VIL. Le circuit supporte un bruit d'autant plus important que les différences entre VOH et VIH d'une part (marge de bruit à l'état haut) et entre VIL et VOL d'autre part (marge de bruit à l'état bas) sont élevées.

Caractéristique de transfert entrée-sortie d'une porte logique TTL 74LS00 à différentes températures, d'après Fairchild Semiconductor.
Caractéristique de transfert entrée-sortie d'une porte logique TTL 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.

Exemple de niveaux de tension, spécifiés pour les portes logiques TTL de Fairchild Semiconductor[2], avec les marges de bruit correspondantes :

Familles TTL
séries commerciales
(0°C à +70°C)
Limites, en V
Entrée Sortie
VIL VIH VOL VOH
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 (VIL-VOL) au niveau HAUT (VOH-VIH)
De : Vers : De : Vers :
74 74H 74L 74S 74LS 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
Familles TTL
séries militaires
(-55°C à +125°C)
Limites, en V
Entrée Sortie
VIL VIH VOL VOH
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 (VIL-VOL) au niveau HAUT (VOH-VIH)
De : Vers : De : Vers :
54 54H 54L 54S 54LS 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 :

  • IOL, la valeur maximale du courant produit par la sortie à la limite de tension spécifiée VOL (état bas)
  • IOH, la valeur maximale (en valeur absolue) du courant produit par la sortie à la limite de tension spécifiée VOH (état haut)
  • IIL, la valeur maximale (en valeur absolue) du courant résultant de l'application sur l'entrée d'un niveau logique bas
  • IIH, 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 de l'entrée d'une porte logique TTL 74LS00, l'autre entrée étant maintenue au niveau haut, d'après Fairchild Semiconductor.

L'entrée d'une porte TTL émet un courant notable à l'état bas (IIL) et absorbe un courant très faible à l'état haut (IIH), 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 (IOL) qu'à l'état haut (IOH).

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
IOH @ VOH IOL @ VOL
DM74LS04 6 portes inverseuses (opérateur NON), avec entrées à hystérésis −0,4 mA @ 2,7 V mA @ 0,4 V
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

Exemple de niveaux de tension et de courant spécifiés pour les portes logiques de Texas Instruments[3] :

Séries
TTL
Courants en mA Tensions en V
Sortie Entrée Sortie Entrée
IOH IOL IIH IIL VOH VOL VIH VIL
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[3], 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 :
54
74
54H
74H
54L
74L
54LS
74LS
54S
74S
54AS
74AS
54ALS
74ALS
54
74
H 10 8 40 20 8 20 20
L 10 8 88,89 40 8 32 160
54H
74H
H 12,5 10 50 25 10 25 25
L 12,5 10 111,11 50 10 40 200
54L H 2,5 2 10 5 2 5 5
L 1,25 1 11,11 5 1 4 20
74L H 5 4 20 10 4 10 10
L 2,25 1,8 20 9 1,8 7,2 36
54LS H 10 8 40 20 8 20 20
L 2,5 2 22,22 10 2 8 40
74LS H 10 8 40 20 8 20 20
L 5 4 44,44 20 4 16 80
54S
74S
H 25 20 100 50 20 50 50
L 12,5 10 111,11 50 10 40 200
54AS
74AS
H 50 40 200 100 40 100 100
L 12,5 10 111,11 50 10 40 200
54ALS H 10 8 40 20 8 20 20
L 2,5 2 22,22 10 2 8 40
74ALS H 10 8 40 20 8 20 20
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.

Compatibilité TTL[modifier | modifier le code]

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 ». Les familles 74HCT (HCMOS compatible TTL) et 74ACT (Advanced CMOS compatible TTL) en sont des exemples. 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.

Avantages[modifier | modifier le code]

  • 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 VCC=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[modifier | modifier le code]

  • 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[modifier | modifier le code]

Les circuits de technologie TTL sont généralement préfixés par le chiffre 74 (54 sur les séries militaires et industrielles). Ce chiffre est suivi d'une ou plusieurs lettres représentant la famille (absence de lettre pour la famille standard), puis un code à 2, 3 voire 4 chiffres représentant le modèle du circuit (la fonction réalisée).

Les diverses familles sont les suivantes :

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

Évolutions[modifier | modifier le code]

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, Vcc = 2 V à 6 V, Temps de propagation minimal = 20 ns pour Vcc = 6 V, au-delà de 100 ns pour Vcc = 2 V).
  • HCMOS compatible TTL 74HCTxx (Vcc = 4,5 V à 5,5 V, Temps de propagation typique = 20 ns).
  • Advanced HCMOS 74AHCxx (incompatible avec les niveaux logiques TTL, plus rapide que 74HCxx)
  • Advanced HCMOS compatible TTL 74AHCTxx (plus rapide que 74HCTxx)

Exemple : circuit 7400[modifier | modifier le code]

TTL NAND

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

On alimente le circuit de la manière suivante : Vcc 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 +Vcc (ou à la masse) et laisser la sortie « en l'air ».

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

Autre exemple : compteur 7490[modifier | modifier le code]

TTL 7490

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

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. (en) Logic voltage levels
  2. (en) Fairchild TTL Data Book 1978
  3. a et b (en) Texas Instruments Advanced Schottky Family, 1985

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]