Краткая история TTL-логики

[avshap]

Date: Sat, 11 Apr 2009 13:02:34 +0600
From: Aleksei Pogorily <Aleksei_Pogorily@f1504.n5020.z2.fidonet.org>
Subject: История ТТЛ логики
Newsgroups: ftn.su.hardw.schemes
X-Comment-To: All
Organization: Home of Fire(7-095)421-1201 Freq 0:00-5:30,7:30-9:00


   Hi All!

Наконец свершилось. Фирма TI после более чем 40 лет выпуска сняла с производства, уже в
этом 2009 году, сеpию 54/74.
Развитие ТТЛ логики прекратилось уже давно, в 1980-е годы. Так что можно изложить ее
историю с начала и до конца.

Микросхемы ТТЛ начали выпускать в середине 1960-х годов. Первой была серия SUHL фирмы
Sylvania, затем HLTTL фирмы Transitron, эти серии были практически идентичны по параметрам,
номенклатуре ИС и совпадали по цоколевке, т.е. были полностью взаимозаменяемы. Лишь третьей
была серия 54/74 фирмы Texas Instruments. Она непринципиально отличалась от первых двух по
параметрам (чуть меньше быстродействие и потребляемая мощность), но имела совсем другую
цоколевку и несколько отличавшийся состав микросхем. Именно разная цоколевка означала
существование двух невзаимозаменяемых линий. Всегда в таких случаях “должен остаться
только один”, и через не столь уж большое время (начало 1970-х) осталась только серия 54/74
и взаимозаменяемые с ней, выпускавшиеся другими фирмами. Из выпускавшегося другими фирмами
следует упомянуть серию 9000 (схемы малой степени интеграции) и 9300 (повышенная степень
интеграции) фирмы Fairchild. Эти схемы были совместимы по цоколевке с 54/74, ставшими
“промышленным стандартом”, но именно в этой серии был впервые выпущен целый ряд интересных
схем повышенной степени интеграции. В частности, популярные 4-разрядные синхронные счетчики
74160 (у нас - К155ИЕ9), 74161 впервые были выпущены как 9310 и 9316.

ТТЛ схемы на уровне технологии 1960-х - 1970-х годов были лучшими из всех которые можно
было сделать. Они превосходили ДТЛ по быстродействию и стоимости производства, были гораздо
дешевле и быстрее КМОП, по сравнению с ЭСЛ (самыми быстрыми) имели меньшую потребляемую
мощность, стоимость, были гораздо удобнее в применении, а быстродействие их было достаточно
для большинства задач.
Поэтому ТТЛ схемы получили самое широкое распространение и выпускались очень многими
фирмами.

Рассмотрим историю серии 54/74 и ее “потомков”.
Цифрами 74 обозначаются микросхемы “коммерческого” класса, с температурным диапазоном 0 -
+70 град. 54 - “военного” класса, их работа гарантирована при температурах от -55 до +125
град. Давно и недолго выпускались также 84 - “индустриального” диапазона от -40 до +85
град.
Далее я буду упоминать только 74, подразумевая что почти всегда выпускались и аналогичные
ей “военные” микросхемы 54.

Первоначально (середина 1960-х) были выпущены серии “стандартная” 74 и “повышенного
быстродействия” 74H.
Типовые параметры их - для 74 время задержки 10 нс, потребляемая мощность 10 милливатт для
одного 2-входового элемента микросхемы 7400 (далее приводятся типовые параметры также для
2-входовых элементов И-HЕ, для других они могут несколько отличаться). Для 74H типовая
задержка 6 нс, типовая мощность 22 мВт.
Коэффициент разветвления по выходу (т.е. число таких же логических элементов, которыми
может управлять один логический элемент) равен 10. Также этот параметp называют нагрузочной
способностью
Первоначальный состав серий:
7400 - четыре 2-входовых элемента И-HЕ.
7410 - три 3-входовых элемента И-HЕ.
7420 - два 4-входовых элемента И-HЕ.
7430 - один 8-входовый элемента И-HЕ.
7440 - два 4-входовых элемента И-HЕ с повышенной до 30 нагрузочной способностью.
7450 - два элемента 2+2И-2ИЛИ-HЕ, один из них имеет входы для подключения расширителей по
ИЛИ.
7460 - два 4-входовых расширителя по ИЛИ.
7470 - JK триггер, с тремя входами J и тремя входами K, причем один из входов J и один из
входов K инверсные.
Количество входов и логических элементов у 7400-7430, 7450, 7460 было ограничено числом
выводов 14-выводного корпуса, а также тем, что они делались все на одном и том же “базовом
кристалле”. В нем создавались элементы (транзисторы, резисторы) для одного 2-входового,
одного 3-входового и двух 4-входовых элементов (для 8-входового оба 4-эмиттерных
транзистора включались впараллель по коллектоpу и базе, получался эквивалент
8-эмиттерного транзистора). Проводники, создаваемые в слое металлизации, для каждого типа
элементов были разные, они и обеспечивали создание на одном и том же кристалле разных
микросхем.

Затем была выпущена “маломощная” серия 74L, типовая задержка 30 нс, типовое потребление 1
мВт.

Развитие ТТЛ микросхем вначале шло в сторону увеличения как степени интеграции, так и
увеличения номенклатуры “простых” элементов.
Из “простых” элементов были созданы схемы И, ИЛИ-HЕ, ИЛИ, увеличена номенклатура И-ИЛИ-HЕ,
созданы различные одиночные и сдвоенные триггеры - как JK, так и D-типа (7474, у нас
К155ТМ2).
В повышенной степени интеграции были сделаны шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры,
сумматоры и дp., а также регистры сдвига и хранения, счетчики, память различной емкости,
первоначально небольшой - 16 и 64 бита.
Поскольку  14 выводов для большинства типов микросхем повышенной степени интеграции не
хватало, были созданы корпуса с 16 и 24 выводами. Корпус с 24 выводами позволяет разместить
регистр на 8 разрядов с входами и выходами каждого разряда, а также выводами управления.
Или 16-входовый мультиплексор, дешифратор на 16 выходов, арифметически-логическое
устройство на 4 разряда.
В 16-выводном корпусе можно разместить 4-разрядный регистр сдвига или счетчик с параллельной
загрузкой со всеми управляющими выводами, мультиплексор на 8 входов со стробом, прямым и
инверсным выходами (14 выводов не хватает).
Проблемой для серии 74L при создании микросхем повышенной степени интеграции была
“интегральная резистивность”, т.е. суммарное сопротивление всех резисторов в микросхеме.
Поскольку у 74L номиналы резисторов в 10 раз выше, чем у 74, эти резисторы  занимают почти
все место на кристалле. (Резисторы - полоски, ширину которых уменьшать нельзя, она
определяется возможностями технологии, можно только увеличивать длину, а тем самым и место
занимаемое резистором увеличивается). Поэтому самые первые микросхемы повышенной степени
интеграции серии 74L (дешифратор 4вх в 10вых 74L42, 5-разрядный регистр 74L96 и др.) имели
резисторы не в 10, а всего в 2 раза больше чем у 74. Что повышало входные токи и
потребляемую мощность по сравнению с другими микросхемами 74L, но позволяло разместить все
на кристалле микросхемы при тогдашнем, еще довольно низком уровне технологии.

В 1971 году была выпущена первая серия ТТЛ с диодами Шоттки - 74S. Это позволило практически
исключить насыщение транзисторов и уменьшить время их закрывания. Прогресс технологии
позволил сократить также паразитные емкости и тем самым время открывания (определяемое
зарядом этих емкостей).
Типовое время задержки 74S 3 наносекунды, потребляемая мощность элемента 19 милливатт. То
есть они вдвое быстрее 74H при чуть меньшем потреблении. И при этом длительность фронтов
сигналов такая же как у 74H, т.е. проектирование устройств не усложняется, требования к
монтажу не возрастают.
После выпуска 74S серия 74H прекратила развиваться, а вскоре и вообще перестала
применяться. Поэтому в 74H практически не было микросхем повышенной степени интеграции, в
отличие от 74S - в ней их было много. Проблема большего энергопотребления по сравнению с 74
серией (и вообще большого потребления ИС повышенной сложности, доходившего до 0,5 ватта и
более) решалась за счет интенсивного воздушного охлаждения. Это усложнение систем
охлаждения вполне окупалось повышением быстродействия устройств на серии 74S, почему она и
получила довольно большое распространение и развитие, типов элементов этой серии было
много.
В это же время получили распространение элементы с тремя состояниями на выходе. Первые два
состояния - 0 и 1, третье - отключено. Это позволяло организовать шинную архитектуру, при
которой на одну и ту же шину (совокупность линий с логическими сигналами) поочередно
работают разные выходные элементы.

Следующей в середине 1970-х годов была выпущена серия 74LS (маломощная Шоттки). Точной даты
назвать нельзя, т.к. эта серия была выпущена не одномоментно как серия, а постепенно,
сперва отдельные элементы, потом еще, все больше и больше. 74LS, за счет прогресса
технологии, имела размеры элементов, и, как следствие, малые паразитные емкости внутри
кристалла. Кроме того, была значительно, втрое, повышена граничная частота транзисторов, до
1,5 гигагерц. Предыдущие серии (74, 74H, 74L, 74S) строились на транзисторах с граничной
частотой 400-500 МГц.
Типовое время задержки у 74LS около 10 нс, мощность потребления 2 милливатта, т.е. мощность
при том же быстродействии уменьшена в 5 раз.
74LS создавалась для замены как 74 серии, так и 74L. 74L была практически вытеснена серией
74LS (и производство 74L было прекращено), а 74 продолжала существовать - в ряде применений
несколько меньшая цена и несколько меньшие требования к конструкции, характерные для 74, не
давали 74LS решающего преимущества.
В этот период (середина и вторая половина 70-х годов) продолжалось развитие микросхем
повышенной степени интеграции, чему значительно способствовала малая потребляемая мощность
74LS, в одной микросхеме можно использовать много элементов без риска перегрева. Большое
распространение получили элементы с 3 состояниями и 20-выводной корпус для таких элементов с
шиной 8-битной ширины (16 входов и выходов, 2 вывода управления, 2 земля и питание).
Целый ряд элементов был создан только на 74LS, поскольку потребляемая мощность других серий
вызвала бы нетерпимо сильный перегрев из-за большой рассеиваемой мощности. Например,
однонаправленный 8-разрядный буфер 74S244 имеет мощность до 900 милливатт. Разместить в
такой же корпус двунаправленный буфер серии 74S с вдвое большей мощностью нереально. А
74LS245 с мощностью около 0,5 ватт - вполне возможно.
Кстати. Начиная с серии 74LS произошел отказ от многоэмиттерного транзистора в схеме сборки
по “И” ТТЛ серий. Вместо него применяются диоды Шоттки, либо обычные диоды или PNP
транзисторы (обычные диоды или PNP транзисторы - в сочетании с диодами Шоттки). Так что для
74LS и последующих серий название “ТТЛ” имеет чисто историческое значение, в смысле
преемственности. По факту это ДТЛ логика.

1979 год. Фирма Fairchild создает серию 74F. Использование технологии Isoplanar-II
(глубокое селективное окисление, обеспечивающее боковую изоляцию элементов вместо P-N
переходов), очередное снижение проектных норм (т.е. уменьшение размеров элементов),
повышение в 3 раза по сравнению с 74LS граничной частоты транзисторов (до 4,5 ГГц)
обеспечили высокие параметры этой серии. Типовые времена задержки лучше чем у 74S (около
полутора раз, т.е. 2 нс при малой емкостной нагрузке, 3 нс при емкости нагрузки 50 пФ),
при резко сниженной типовой потребляемой мощности - 5,4 мВт, т.е. в 3,5 раз меньше чем у
74S. Максимальный выходной ток логического нуля у них такой же как у 74H и 74S, 20
миллиампер. Это у обычной логики, буферные схемы с умощненным выходом имеют выходной ток до
64 мА (в основном такие применяются для работы на шины, расположенные на задней панели
корпуса и рассчитанные на подключение многих плат, например шина VME).
В серии 74F широкое распространение получили схемы повышенной степени интеграции, чему
способствовала небольшая рассеиваемая мощность.

1982 год. Империя (Texas Instruments) наносит ответный удар. Были выпущены две серии
практически того же технологического уровня, что и 74F - 74ALS и 74AS.
В 74ALS технологические усовершенствования были использованы для максимального сокращения
потребляемой мощности при росте быстродействия относительно 74LS.
Типовая мощность потребления 74ALS равна 1,2 мВт, т.е. почти столько же, сколько у 74L.
Время задержки типовое (по моему опыту с советским аналогом - серией КР1533 - привожу свои
данные поскольку фирменные противоречивы и несколько фантастичны) равно 5 нс. Что лучше чем
у 74H, потреблявшей почти в 10 раз больше. И примерно в 2 раза (или менее чем в полтора,
если судить по данным, полученным мной измерением серии К555 - аналога 74LS) лучше 74LS. И
вдвое лучше 74. Вообще, по опыту применения, 1533 (КР1533), т.е. 74ALS очень приятная серия
- беспроблемная, быстрая, гораздо меньше потребляет чем 74LS.
74F тоже неплоха, но греются ее 8-разрядные буфера не по-детски. Впрочем, и с ней я особых
проблем не имел. Хорошая быстрая серия.
74AS - попытка превзойти 74F по быстродействию. Потребление 8 мВт, среднее время задержки
немного меньше чем у 74F. Мощность почти вдвое выше, выигрыш в скорости невелик, поэтому
74AS получила относительно ограниченное применение. Действительно массовыми стали 74ALS и
74F (которую производит и фирма TI, видимо, по лицензии).

Последней попыткой дальнейшего развития ТТЛ была созданная фирмой Fairchild серия 74Fr
(конец 198-х). Дальнейшее усовершенствование технологии, повышение вдвое, до 9 ГГц,
граничной частоты транзисторов дало довольно небольшой выигрыш в быстродействии, примерно в
1,4 раза, при в 1,5 раз возросшей потребляемой мощности, в сравнении с 74F (это данные
сравнения 74F74 и 74Fr74). Это не привлекло внимания потребителей, серия 74Fr не получила
распространения, была снята с производства фирмой Fairchild, хотя 74F она продолжает
производить.
Можно сказать - последняя попытка провалилась.

На этом развитие ТТЛ микросхем прекратилось. Эстафету прогресса в логических микросхемах
перехватили БиКМОП и КМОП серии. В настоящее время и БиКМОП (основанные на сочетании
биполярных и КМОП транзисторов) прекратили развитие. Причина - невозможность создания
БиКМОП микросхем на номинальное напряжение питания менее 2,5 вольт. КМОП этого ограничения
не имеют, уже есть серия (74AUC), рассчитанная на напряжение питания 1,8В как оптимальное
для нее, причем более быстродействующая чем все более ранние серии.

В исторической перспективе, причем не столь уж далекой, ТТЛ микросхемы с их номинальным
напряжением питания 5 вольт полностью отойдут в прошлое. Поскольку уже не первый год самый
распространенный номинал питания логики уже 3,3 вольта.

Отечественные аналоги ТТЛ серий (наша серия - серия TI).
133 - 54.
К155, КМ155, 155 - 74.
130 - 54H.
К131 - 74H.
134 - 54L.
КР134 - 74L.
530 - 54S.
КР531 - 74S.
533 - 54LS.
К555, КМ555 - 74LS.
1531 - 54F.
КР1531 - 74F.
1533 - 54ALS.
КР1533 - 74ALS.
1530, КР1530 - приблизительно соответствует 54AS, 74AS.

Выпущены также серии 136 и К158, примерно соответствующие 54L и 74L, но отличающиеся от
54L/74L вдвое большей потребляемой мощностью и немного бОльшим быстродействием. Эти серии
(136, К158) включали лишь микросхемы малой степени интеграции.

Выпускалась серия 106, содержавшая не более 2 логических элементов в корпусе. Она
применялась в тяжелых условиях эксплуатации (космос и т.п.)

     Cheers,   Aleksei [mailto:pogorily@nm.ru]