Warum haben integrierte TTL-Schaltkreise so komplizierte Schaltpläne für Logikgatter mit so vielen Transistoren im Gegensatz zu RTL?

Ich bin gerade dabei, einen 4-Bit-Computer aus diskreten NPN-BJTs und Widerständen zu bauen. Ich benutze RTL und habe Flip-Flops, Volladdierer und Demultiplexer hergestellt, und bis jetzt funktioniert alles einwandfrei. Warum sind TTL-Chips, die das Gleiche erreichen, auf Transistorebene so viel komplizierter?

— H2SO4
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Es würde mich interessieren, Ihre Torentwürfe zu sehen. Ich habe einen hier .

— Jonk

Ich habe diesen Beitrag schon einmal gesehen, als ich andere Nachforschungen für mein Projekt anstellte. Es war sehr hilfreich, danke! Hier sind einige der Schaltpläne, an denen ich für mein Projekt gearbeitet habe: imgur.com/a/kESzKni Es tut mir leid, dass sie etwas chaotisch und schlecht beschriftet sind. Sie waren nur für mich gedacht. Ich weiß, dass dies nicht die effizientesten Designs sind, und es kann einige Probleme mit den Schaltplänen geben, da ich noch daran arbeite. Obwohl ich alles in den Schaltplänen auf einem Steckbrett getestet habe und es funktioniert hat.

— H2SO4

@ Jonk Widerstände sind nicht skalierbar, wenn die Größe abnimmt;)

— Tuskiomi

Antworten:

Einige der größten Nachteile von RTL waren:

viel geringere Störfestigkeit (1x V _be Bias vs 2x)
Übermäßige statische Verlustleistung für den Ausgangszustand "0" aufgrund eines niedrigen Pull-Ups R für eine niedrige Impedanz, die erforderlich ist, um die Anstiegszeit für den Ausgangszustand "0 auf 1" zu verringern, um pF-Lasten anzutreiben. Wie R2 = 50 Ohm.
Die Störfestigkeit und die Anstiegsgeschwindigkeit waren sehr asymmetrisch, wenn R2 hoch war (z. B. 1k).

TTL löste diese Probleme mit einem Totempfahlausgang. und erhöht die Eingangsschwellen bis 2 Äquivalentdiode oder V _sein Tropfen (1,35 bis 1,4)
- Die Standards für Eingangs- und Ausgangspegel haben sich nie geändert, da die TTL-Familie die Geschwindigkeit erhöht und die statische Leistung verringert und den Kollektorwiderstand für die schnellste TTL-Geschwindigkeit von 130 auf 50 Ohm gesenkt hat.
- Die Entwicklung von TTL ergab sich aus den Bemühungen, die Übergangsgeschwindigkeit, den Rauschabstand und die Leistung zu verringern und gleichzeitig die Abwärtskompatibilität, die Eingangsschwellen, den Fanout = 10 und die Ausgangspegel beizubehalten.

Dies waren die minimalsten Lösungen, um die Spezifikationen zu erreichen und den Pd von 74 'auf 74LS zu senken, dann für 74S' die Anstiegszeit für Ein- und Ausschalten auf 15pF Last auf ~ 1/3 zu reduzieren, während das Durchschießen mit beiden aktiven Treibern verhindert wird. RTL hatte nie ein Durchschießproblem mit nur einem Fahrer und passivem Pull-up. Eine Totempfahl-Ausgangsimpedanz ist nicht linear, wird jedoch so gesteuert, dass sie ohne große Stoßströme niedrig bleibt. Entkopplungskappen wurden im Gegensatz zu CMOS 1 pro IC nur alle 10 ICs benötigt.

Obwohl TTL hinsichtlich Spannung und Impedanz asymmetrisch zu sein scheint, ist die Störfestigkeit gegen Streurauschen und Übersprechen zwischen den Logikpegeln für die Rauschleistung ausgeglichen.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Dies beantwortet die Frage nicht. Es werden einige Gründe behandelt, warum man TTL gegenüber RTL bevorzugen könnte, aber nicht die eigentliche Frage "Warum sind TTL-Designs komplizierter?"

— Pericynthion

@pericynthion Die Schaltpläne zeigen den Unterschied in der Komplexität und ich gab die Gründe an. Würde es helfen, wenn ich den Zweck jedes Transistors, Widerstands und jeder Diode erläutern würde?

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

@pericynthion: Ingenieure haben das informelle "Gesetz des konservierten Schmerzes". Sie können Schmerzen nicht vermeiden, Sie können sie einfach verschieben. Wenn Sie eine bessere Geräuschtoleranz wünschen, muss etwas anderes leiden. Die Komplexität der Herstellung ist ein vernünftiger Kompromiss, da die Prozessverbesserung und die Herstellung im großen Maßstab den Preis für diese Komplexität senkten.

— MSalters

@pericynthion Ich denke, Sie wollten wissen, warum sie die Teile in jeder TTL-Familienserie ausgewählt haben, um die von mir angegebenen Verbesserungen des Designziels und die Abwärtskompatibilität zu erreichen. Ist das richtig? Wenn ja, dann stellen Sie bitte eine neue Frage für eine "Betriebstheorie".

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Es handelt sich im Grunde genommen um einen Pegelumsetzer und Totempfahltreiber (Emitterfolger und Kollektorschalter) und zwei Stufen zur Erhöhung der Anstiegsgeschwindigkeit, aber die E / A-Impedanz und die Spannungspegel mussten standardisiert werden. Dies waren also die minimalsten Lösungen, um die Spezifikationen zu erreichen und Pd zu senken, aber gleichzeitig die Anstiegsraten für Ein und AUS zu erhöhen und gleichzeitig das Durchschießen zu verhindern. mit beiden aktiven Treibern.

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Die Verwendung von Widerstands-Pullups führt zu einer langsamen Anstiegszeit des Ausgangs. Daher verwendet TTL einen "Totempfahl" -Ausgang, der den Ausgang hoch treibt. Dies führt zu einem viel schnelleren Betrieb.

Die RTL-Logik verbraucht tendenziell mehr Strom, da große Ströme direkt zur Erde fließen, wenn ein Ausgang niedrig sein muss.

Ob Sie es glauben oder nicht, Widerstände mit vernünftigen Werten verbrauchen oft viel mehr Siliziumfläche als ein Transistor. Daher ist die Herstellung eines RTL-Gatters im Volumen möglicherweise nicht billiger.

— Elliot Alderson
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RTL entstand vor TTL, es war nur schwieriger, so viel Zeug auf einen Chip zu stopfen, und die Leute wussten nicht so viel über die Analyse der Schaltkreise.
In vielen Fällen kann die Ausführung eines Widerstands mit zwei oder drei Transistoren tatsächlich weniger Platz auf dem Chip beanspruchen.
TTL musste leistungsstärker und benutzerfreundlicher sein.

— TimWescott
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