Transistor-transistor logic Transistor-transistor logicの概要

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Transistor-transistor logic

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2022/11/22 07:50 UTC 版)

半導体を用いた論理回路の代表的なもののひとつであり、通常+5V単一電源のモノリシック集積回路 (IC) ファミリとして、コンピュータ、産業用制御機械、測定機器、家電製品、シンセサイザーなど様々な用途で使われている。TTLという略称は、TTL互換の論理レベルの意味で使われることもあり、TTL ICとは直接関係ないところでも使われている。例えば電子機器の入出力のラベルなどに表示することがある。

DTLの改良品であり、さまざまなメーカーによってICが製造されているが、1970年代にテキサス・インスツルメンツ社（以下 TI, Texas Instruments）の汎用ロジックICファミリ（7400シリーズ）が広く普及して業界標準となった。標準シリーズから、高速版、低消費電力版、高速・低消費電力版などのバリエーションを広げ、初期のマイクロプロセッサの応用の広がりとともにさらに普及した。しかし、バイポーラトランジスタを使うため、低消費電力化・高集積化・低電圧化には向かず、CMOS技術の発達に伴いデジタルICの主力の座をCMOSに譲った。

歴史

NANDゲートを4個集積した7400（1976年）

1961年、TRWの James L. Buie が「新たに開発する集積回路の設計技術に特に適した」ものとして発明。当初は transistor-coupled transistor logic (TCTL) と名付けられていた。最初に製品化されたTTLのICチップは、1963年にシルヴァニア・エレクトリック・プロダクツ が製造したもので Sylvania Universal High-Level Logic family (SUHL) と名付けられた。シルバニア製の電子部品はフェニックス・ミサイルの制御に使われた。TIが軍用規格（動作を保証する温度範囲が広い）の5400シリーズICを1964年に発売し、民生用規格でパッケージもプラスチックにした7400シリーズICを1966年に発売すると、TTLは電子システム設計で広く使われるようになっていった。

TIの7400ファミリは業界標準となった。モトローラ、AMD、フェアチャイルド、インテル、インターシル、シグネティクス、ムラード、シーメンス、SGS-Thomson、ナショナル セミコンダクターといった半導体企業が7400ファミリ互換のICを製造した。単に互換TTL部品を各社が製造しただけではなく、他の回路技術を使った互換部品も製造された。ただしIBMは他とは互換性のないTTL部品を製造し、社内でSystem/38、IBM 4300、IBM 3081といった製品に使用していた。なお、54シリーズと74シリーズの中間的な位置付けの製品として、64シリーズも存在し、数年間は製造されたがその後廃止となっている。

"TTL" という略称はバイポーラ汎用ロジックICのその後の世代にも約20年にわたって使われ続け、速度や消費電力が改善されていった。最近のロジックICファミリである 74AS/ALS（アドバンストショットキー）は1985年に登場した。2008年時点でも、TIは様々な古い技術の汎用ロジックICを供給し続けているが、価格は以前より高くなっている。一般にTTLロジックICは数百個以上のトランジスタを集積していない。チップ当たりに搭載される機能は、数個の論理ゲートからビットスライス式のマイクロプロセッサの範囲である。TTLの重要な特徴はその低価格さであり、そのためにそれまでアナログ回路で実現していた機能が次々とデジタル化されていった。

パーソナルコンピュータの先祖の1つとされる Kenbak-1 はCPUをTTLで構成したもので、1971年当時マイクロプロセッサはまだ入手できなかった。1973年の Xerox Alto と1981年の Star ワークステーションはGUIを導入したことで知られているが、ALUやビットスライス単位のTTLチップを使って構成されていた。1990年代まで、多くのコンピュータはLSIの間をTTL互換ロジックで接続するという形で構成されていた。プログラマブルロジックデバイスなどが登場するまで、TTLに代表されるバイポーラ・ロジックICは開発中のマイクロアーキテクチャのプロトタイピングとエミュレーションに使われていた。

実装

基本的なTTLゲート

2入力TTL・NANDゲート。出力段は単純化してある。

TTLはDTL (Diode-transistor logic) を自然に発展させたもので、基本概念は共通である。DTLで入力ダイオードで構成している論理ゲート部分をマルチエミッタ・トランジスタのベース-エミッタ接合を使って実現している。IC上のこの構造は、複数のトランジスタのベースとコレクタをまとめるように接続したのと同等である。単純なTTL論理ゲートの出力はDTLと同様にエミッタ接地回路で増幅される。

全入力にHI電圧 (1) が印加されると、マルチエミッタ・トランジスタのベース-エミッタ接合部に逆バイアスがかかる。このトランジスタは逆方向アクティブモードにあるため（コレクタとエミッタが逆転した状態）、DTLとは対照的に入力から小さい（約10μA）コレクタ電流が流れる。ベース抵抗と供給電圧の組み合わせは実質的に定電流源として機能する。マルチエミッタ・トランジスタのベース-コレクタ接合を通して電流が流れ、出力トランジスタのベース-エミッタ接合がONになる。したがって出力電圧は LO (0) になる。

一方の入力電圧がLO (0) になると、対応するマルチエミッタ・トランジスタのベース-エミッタ接合は2つの直列の接合部（マルチエミッタ・トランジスタのベース-コレクタ接合部と後段のトランジスタのベース-エミッタ接合部）と並列に繋がる。すると入力のベース-エミッタ接合部は出力トランジスタのベース電流を入力ソース（接地）に流れ込ませる。出力トランジスタのベース電流が遮断されることでスイッチが切れた状態になり、出力電圧はHI (1) になる。遷移の間、入力トランジスタはほぼアクティブ領域にある。そのため出力トランジスタのベース電流の大部分を流れなくし、素早くベースの電位を下げる。TTLがDTLに比べて優れているのは、このようにダイオードを使った入力段よりも高速に遷移する点である。

出力段の単純なTTLの短所は、出力がHI (1) のときの出力抵抗が高く、その値が完全に出力トランジスタのコレクタ抵抗で決まる点である。そのために接続可能な入力数（ファン・アウト）が制限される。単純な出力段の長所として、出力に負荷が接続されていないときに出力の "1" に対応する電圧が高い（V_CC に近い）という点が挙げられる。

この種のロジックは出力トランジスタのコレクタ抵抗を省略し、オープンコレクタ出力とすることが多い。そうすると、いくつかの論理ゲートの出力を接続して外部に1つのプルアップ抵抗を用意するという設計が可能となり、ワイヤードANDまたはワイヤードORにすることができる。例えば 7401 や 7403 がそのような構成である。

「トーテムポール」出力段のあるTTL

7400の4つのTTL・NANDゲートの1つ。「トーテムポール」出力段がある。

単純な出力段では出力抵抗が高いという問題を解決するには、「トーテムポール」出力（プッシュプル出力）段を追加する。右図のように2つのNPNトランジスタ V₃ と V₄、ダイオード V₅、電流を制限する抵抗器 R₃ で構成される。入力がLOのときの電流の制御の考え方がこの構成でも適用されている。

V₂ がオフのとき V₄ もオフとなり、V₃ がアクティブ状態となってコレクタ接地回路として働き、HI電圧 (1) が出力される。V₂ がオンのとき V₄ もオンとなり、出力はLO電圧 (0) となる。V₂ と V₄ のコレクタ-エミッタ接合は、直列の V₃ のベース-エミッタ と V₅ のアノード-カソード接合をV₄ のベース-エミッタ接合と並列接続する。すると V₃ のベース電流が流れなくなり、このトランジスタはオフになって出力に影響を与えなくなる。この遷移の際に抵抗器 R₃ が直列接続されているトランジスタ V₃ とダイオード V₅、さらにトランジスタ V₄ に流れる電流を制限する。また、出力電圧がHI (1) のときの出力電流も制限し、接地との短絡接続のときの出力電流も制限する。プルアップ抵抗とプルダウン抵抗を出力段から排除することで、消費電力を増大させずにゲートを強化できる。

トーテムポール出力段付きTTLの最大の利点は、HI (1) 出力の際の低出力抵抗である。その値はコレクタ接地回路として動作している上段の出力トランジスタ V₃ によって決まる。抵抗器 R₃ は V₃ のコレクタに接続されており、負帰還によってその影響が補償されるため、出力抵抗にはほとんど影響しない。欠点は出力に負荷が接続されていない場合でも出力のHI電圧が低くなる（3.5V以下）という点である。これは、V₃ のベース-エミッタ間と V₅ のアノード-カソード間で電圧降下があるためである。