Transistor-transistor logic

トランジスタ・トランジスタ・ロジック（TTL）

トランジスタ・トランジスタ・ロジック（TTL）は、バイポーラトランジスタと抵抗を用いたデジタル回路の一種です。論理ゲートと増幅の両機能をトランジスタで実現している点が特徴で、RTLやDTLといった先行技術と比較して高速な動作が可能です。

+5V単一電源のモノリシック集積回路（IC）として、コンピュータ、産業用制御機械、測定機器、家電製品など幅広い分野で利用されてきました。その簡潔な設計と安価な製造コストから、デジタル回路の標準技術として長らく君臨しました。 TTLという略称は、TTL互換の論理レベルを示す意味でも用いられ、電子機器の入出力ラベルなどに表示されることもあります。

TTLの歴史

1961年、TRW社のJames L. Buie氏によって発明されました。当初はtransistor-coupled transistor logic (TCTL)と呼ばれていましたが、1963年にはシルヴァニア・エレクトリック・プロダクツ社がSylvania Universal High-Level Logic family (SUHL)として製品化しました。その後、テキサス・インスツルメンツ（TI）社が1964年に軍用規格の5400シリーズ、1966年に民生用規格の7400シリーズを発売。7400シリーズは業界標準となり、多くの半導体メーカーが互換製品を製造しました。

TIの7400シリーズは、高速版、低消費電力版など、様々なバリエーションが開発され、マイクロプロセッサの普及と共にその地位を不動のものとしました。しかし、バイポーラトランジスタの特性上、低消費電力化、高集積化、低電圧化には限界があり、CMOS技術の発展に伴い、その座をCMOSに譲ることとなりました。 それでも、低価格なTTL ICは、特にプログラマブルロジックデバイスが登場するまでは、マイクロアーキテクチャのプロトタイピングやエミュレーションに広く用いられていました。 Kenbak-1のような初期のパーソナルコンピュータや、Xerox Altoのような初期のワークステーションにもTTLが使用されたことは有名です。

TTLの実装

基本的なTTLゲート

TTLはDTL（ダイオード・トランジスタ・ロジック）を改良したもので、基本的な構造は共通しています。DTLでは入力ダイオードで行っていた論理演算を、TTLではマルチエミッタトランジスタを用いて実現しています。このマルチエミッタトランジスタは、複数のトランジスタのベースとコレクタをまとめて接続した構造になっています。

全ての入力に高電圧（HIGH、1）が印加されると、マルチエミッタトランジスタは逆バイアスされ、小さなコレクタ電流が流れます。この電流は、出力トランジスタをONにし、出力電圧をLOW（0）にします。一方、いずれかの入力がLOW（0）になると、対応するベース・エミッタ接合部が導通し、出力トランジスタのベース電流が遮断され、出力電圧はHIGH（1）になります。TTLはDTLに比べてこの遷移速度が速いことが大きな利点です。

トーテムポール出力段

単純なTTL出力段は出力抵抗が高く、接続可能な入力数（ファンアウト）が制限されるという欠点があります。そこで、多くのTTL ICでは「トーテムポール」出力段（プッシュプル出力）が採用されました。これは2つのNPNトランジスタとダイオード、抵抗器で構成され、HIGH出力時の低出力抵抗を実現します。しかし、負荷がない場合のHIGH出力電圧は低くなります。

TTLのインタフェース

TTLは電流シンクロジックであり、LOW入力時には入力側に電流が流れ込みます。標準TTLの電源電圧は5Vで、入力電圧は0～0.8VをLOW、2.2～5VをHIGHと定義されます。出力電圧範囲は、それぞれ0～0.4V、2.6～5Vと、入力よりも狭くなっています。この電圧レベルの規格化により、様々なメーカーのTTLチップを混在して使用することが可能でした。

TTLのパッケージ

1965年から1990年代にかけては、主に14～24ピンのDIP（デュアルインラインパッケージ）が使用されました。エポキシ樹脂製やセラミック製が一般的でしたが、軍用や航空宇宙用途には、表面実装パッケージであるフラットパックなども用いられました。現在では、表面実装型の様々なパッケージが使用されています。

TTLと他の汎用ロジックIC

TTLはCMOSと比較して消費電力が大きく、ECLと比較するとスイッチング速度は劣ります。しかし、CMOSよりも消費電力の周波数依存性が小さく、ECLよりも設計が容易で安価でした。

TTLの出力インピーダンスはHIGHとLOWで異なるため、伝送線の駆動には不向きで、バッファリングが必要です。また、トーテムポール出力では、電源電流にパルス状のノイズが発生するため、バイパスコンデンサによる対策が必要になります。

TTLの派生品

様々なメーカーが、高速版、低消費電力版などのTTL互換ICを開発しました。74LS、74AS、74ALSといったシリーズが有名です。

TTLの用途

VLSIが登場するまでは、TTL ICを用いてコンピュータのプロセッサを構築するのが一般的でした。その後も、「グルーロジック」として、VLSIチップ間の接続に用いられました。また、TTLインバータは、アナログ増幅器としても利用可能です。

まとめ

TTLは、その高速性、低価格性、そして規格化されたインターフェースによって、デジタル回路の黄金時代を支えた重要な技術です。CMOSにその地位を譲りましたが、その功績は今もデジタル回路設計の歴史に刻まれています。

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