Transistor–transistor logic (TTL) พื้นฐานของวงจรดิจิทัล

Transistor–transistor logic (TTL) หรือ ตรรกะทรานซิสเตอร์-ทรานซิสเตอร์ คือตระกูลของวงจรตรรกะที่สร้างขึ้นจาก bipolar junction transistors (BJTs) โดยชื่อของมันบ่งบอกถึงการที่ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่ทั้งในส่วนของฟังก์ชันตรรกะ (ทรานซิสเตอร์ตัวแรก) และฟังก์ชันการขยายสัญญาณ (ทรานซิสเตอร์ตัวที่สอง) ซึ่งแตกต่างจากวงจรตรรกะยุคแรกอย่าง resistor–transistor logic (RTL) และ diode–transistor logic (DTL)

ประวัติและความเป็นมา

วงจร TTL เริ่มต้นจากการพัฒนาในต้นทศวรรษ 1960 โดยนักวิจัยจากบริษัทต่างๆ เช่น Fairchild Semiconductor และ Pacific Semiconductor โดยในช่วงแรกมีการเรียกชื่อว่า T²L หรือ transistor-coupled transistor logic (TCTL) เพื่อให้เห็นความแตกต่างจาก diode-coupled transistor logic (DCTL)

ในปี 1963 Sylvania Electric Products ได้นำเสนอ TTL ในรูปแบบของวงจรรวม (Integrated Circuit - IC) เป็นครั้งแรกภายใต้ชื่อ Sylvania Universal High-Level Logic (SUHL) ซึ่งถูกนำไปใช้ในระบบควบคุมของขีปนาวุธ Phoenix

ต่อมา Texas Instruments ได้ทำให้ TTL กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมด้วยการเปิดตัวซีรีส์ 5400 ในปี 1964 และซีรีส์ 7400 ในปี 1966 ซึ่งได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายจนกลายเป็นมาตรฐาน de facto โดยมีบริษัทผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์รายอื่น เช่น Motorola, AMD, Intel และ National Semiconductor ผลิตชิปที่เข้ากันได้กัน (compatible parts) ออกมาจำหน่าย

การประยุกต์ใช้งานและผลกระทบ

TTL กลายเป็นรากฐานสำคัญของคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลในยุคแรก โดยถูกนำไปใช้ในหลากหลายด้าน ดังนี้:

• คอมพิวเตอร์และเวิร์กสเตชัน: เช่น Kenbak-1 ซึ่งใช้ TTL ในส่วนของ CPU แทนไมโครโปรเซสเซอร์ และ Xerox Alto ที่ใช้ TTL ในระดับของ arithmetic logic units (ALUs)
• การควบคุมทางอุตสาหกรรม: ใช้ในระบบควบคุมเครื่องจักรและอุปกรณ์ทดสอบ
• อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค: รวมถึงเครื่องสังเคราะห์เสียง (synthesizers) และเครื่องมือวัด
• Glue Logic: แม้ในยุคที่ไมโครโปรเซสเซอร์แบบ VLSI CMOS จะเข้ามาแทนที่ แต่ TTL ยังคงถูกนำมาใช้เป็น "glue logic" เพื่อเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นสูง

ความสามารถในการลดต้นทุนทำให้เทคนิคดิจิทัลมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับงานที่เดิมทีต้องใช้วิธีการแบบอนาล็อก

การพัฒนาและรุ่นต่างๆ

ตลอดระยะเวลาสองทศวรรษ TTL ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อเพิ่มความเร็วและลดการใช้พลังงาน โดยมีการนำเสนอครอบครัวชิปต่างๆ เช่น 74AS/ALS (Advanced Schottky) ในปี 1985 และรุ่น 74Fxx ซึ่งยังคงมีการจำหน่ายอยู่ในปัจจุบัน (ข้อมูล ณ ปี 2019)

โครงสร้างพื้นฐานของเกต TTL

เกต TTL พื้นฐานคือโครงสร้าง NAND ซึ่งใช้ทรานซิสเตอร์แบบ multiple-emitter input ตามด้วยขั้นตอนการขยายสัญญาณหนึ่งขั้นตอนหรือมากกว่านั้น