uitgangsniveaus TTL IC's

Hoi mensen.

Nav een discussie liep ik tegen vraagstuk aan.
Er werd gesteld: "Een TTL IC mag geen 4000 CMOS IC aansturen omdat het uitgangsniveau cq uitgangsspanning niet altijd stabiel 5V= is, (ondanks een aangelegde 5v= als voedingsspanning)"
Ik vond dat vreemd want als je een 5v= voedingsspanning hebt, is het in al zijn simpelheid toch gemakkelijk om een transistorschakeling in zo'n IC te hebben die er dan ook 5V van kan maken. OK, minus misschien een PE overgang van 0,6V, maar dat kan ook 0,2V zijn.

In ieder geval werd gesteld dat het uitgangsniveau van de TTL IC tussen de 2,6 en 5V lag. Bij aan aangelegde spanning van 5V=.
En dat gaat er bij mij niet in.

Als dat zo is, waarom is dat dan zo? Waarom had men in de wijsheid van die tijd niet het idee gevat om daar een extra tor in te bouwen?
De logica (Pardon my cynic choice of word :-)) ontgaat me hier even.

Klopt die stelling uberhaupt?

MvG

Fantomaz

Ik moet hier weer vaker komen... Wat kun je zo'n forum als deze gaan missen. :-)
buckfast_beekeeper

Golden Member

Ik denk dat in deze uiteenzetting je antwoord zal zitten. 2,7V wordt in TTL als een 1 beschouwd aan de uitgang. De ingang moet een 1 herkennen bij 2V.

Bij CMOS ligt de in drempel op 3,5V. Met 2,7V (correct volgens TTL) zit je onder de 3,5V drempel en weet je niet zeker wat er gebeurd. Misschien gaat het goed. Misschien ook niet.

Van Lambiek wordt goede geuze gemaakt.
Kruimel

Golden Member

Dit is ontstaan doordat de eerste TTL schakelingen niet symmetrisch waren. De poorten trekken de spanning effectiever naar massa dan naar de voedingsspanning. Ik geloof dat dit samen hing met het sneller zijn van de vroegere NPN transistoren waardoor TTL IC's ook niet complementair zijn (en CMOS is dat wel). De ingangen stemmen hiermee overeen, ze reageren op het 'sinken' van een beetje ingangsstroom. Je kunt dit zien in het schema van een 7400 poort die ik van Wikipedia heb gejat (link):

edit: Te laat, ik zie dat buckfast_beekeeper me voor was.

Op 2 juni 2023 12:22:41 schreef Fantomaz:
Hoi mensen.

Nav een discussie liep ik tegen vraagstuk aan.
Er werd gesteld: "Een TTL IC mag geen 4000 CMOS IC aansturen omdat het uitgangsniveau cq uitgangsspanning niet altijd stabiel 5V= is, (ondanks een aangelegde 5v= als voedingsspanning)"
Ik vond dat vreemd want als je een 5v= voedingsspanning hebt, is het in al zijn simpelheid toch gemakkelijk om een transistorschakeling in zo'n IC te hebben die er dan ook 5V van kan maken. OK, minus misschien een PE overgang van 0,6V, maar dat kan ook 0,2V zijn.

In ieder geval werd gesteld dat het uitgangsniveau van de TTL IC tussen de 2,6 en 5V lag. Bij aan aangelegde spanning van 5V=.
En dat gaat er bij mij niet in.

Als dat zo is, waarom is dat dan zo? Waarom had men in de wijsheid van die tijd niet het idee gevat om daar een extra tor in te bouwen?
De logica (Pardon my cynic choice of word :-)) ontgaat me hier even.

Klopt die stelling uberhaupt?

MvG

Fantomaz

Zo kun je jezelf afvragen waarom bij de uitvinding van de led, de TV beeldbuizen niet meteen afgewisseld zijn door ledschermen. Er zijn toch rode groene en blauwe leds?

Kruimel

Golden Member

Op zich vind ik Fantomaz' vraag wel een legitieme, er zit helemaal niet zo veel tijd tussen de ontwikkeling van TTL en CMOS, en om ze dan incompatibel te maken klinkt dan niet logisch.

Tegenwoordig is het niet goed meer te begrijpen waarom we HC(T)-, AC(T) en allerhande andere CMOS-gebaseerde TTL IC maken, terwijl we dan toch veel beter 4000-serie CMOS IC's kunnen gebruiken in plaats van de nummering en indeling van BJT gebaseerde TTL IC's te kapen. Daar zit gewoon een stukje historisch incident aan dat niet makkelijk uit te leggen is.

Op 2 juni 2023 12:40:45 schreef buzzy:
[...]Zo kun je jezelf afvragen waarom bij de uitvinding van de led, de TV beeldbuizen niet meteen afgewisseld zijn door ledschermen. Er zijn toch rode groene en blauwe leds?

Een TL buis is niet opgebouwd uit leds.
een TTL wel uit transistoren. Het vergde 1 extra Tor en je zou klaar zijn.

Op 2 juni 2023 12:34:18 schreef buckfast_beekeeper:
Ik denk dat in deze uiteenzetting je antwoord zal zitten. 2,7V wordt in TTL als een 1 beschouwd aan de uitgang. De ingang moet een 1 herkennen bij 2V.

Bij CMOS ligt de in drempel op 3,5V. Met 2,7V (correct volgens TTL) zit je onder de 3,5V drempel en weet je niet zeker wat er gebeurd. Misschien gaat het goed. Misschien ook niet.

Waarom zou je zo simpel denken als ontwikkelaar om met natte vinger werk te stellen dat het uitgangsnivea wel een ruime marge kan hebben?
Als er ergens een stukje verzwakking of verstoring in zit, ben je veel meer gebaat bij een (bij benadering) 5V.
En áls ze zo al dachten... Dan moet er toch een moment van besef zijn geweest dat het simpel beter kan, met maar een kleine aanpassing?

Ik moet hier weer vaker komen... Wat kun je zo'n forum als deze gaan missen. :-)

Als dat zo is, waarom is dat dan zo? Waarom had men in de wijsheid van die tijd niet het idee gevat om daar een extra tor in te bouwen?

Waarom zou je? In de TTL tijd bestond er nog helemaal geen mos technologie. Iets ergens inbouwen voor iets dat er nog niet is, is erg knap. Dan heb je dingen als flux-capacitors nodig. En ook die waren er nog niet. Je had wel TTL, DTL, ECL en natuurlijk de TT technologie.

Zo een wens is niet gratis. Zo zou het energie en complexiteit kosten en dezelfde chip relevant trager maken.

Toen TTL ontwikkeld werd heeft men met de beschikbare technologie een logica familie ontwikkeld die zo goed mogelijk presteerde. Schakelsnelheid was daarbij zeer relevant, net zoals energieverbruik, fan out etc.

Dat dat meer dan 60 jaar later misschien niet meer helemaal in alle opzichten handig is, lijkt niet zo raar.
Pak gewoon iets moderns en/of een gepaste level translator, die dingen bestaan niet voor niets :)

bprosman

Golden Member

Dit heb ik altijd wel een duidelijk overzicht gevonden :

https://www.robkalmeijer.nl/techniek/electronica/electronicabladen/ele…

Tegenwoordig met CPLD's en FPGA's, Raspberry PI's , maar ook displays die dan weer op 3V3 draaien is het nog iets complexer.

De jongere generatie loopt veel te vaak zijn PIC achterna.
maartenbakker

Golden Member

Op 2 juni 2023 12:50:19 schreef Fantomaz:
[...]

Een TL buis is niet opgebouwd uit leds.
een TTL wel uit transistoren. Het vergde 1 extra Tor en je zou klaar zijn.

[...]

Waarom zou je zo simpel denken als ontwikkelaar om met natte vinger werk te stellen dat het uitgangsnivea wel een ruime marge kan hebben?
Als er ergens een stukje verzwakking of verstoring in zit, ben je veel meer gebaat bij een (bij benadering) 5V.
En áls ze zo al dachten... Dan moet er toch een moment van besef zijn geweest dat het simpel beter kan, met maar een kleine aanpassing?

Een kleine aanpassing is duur en onhandig. Voor je het weet heb je tientallen letterseries voor TTL.

Oh wacht... S, H, L, LS, ALS, HC, HCT, enz.

En dan heb je ook nog families die niet met 74 beginnen. DTL (eigenlijk de voorloper van alles), ECL, HTL, HNIL, enz.

Elk heeft zijn nut. De serie die jij beschrijft heeft ook nut, maar dat werd al afgevangen door CMOS. Eigenlijk bestaat hij dus gewoon, al is het op een compleet andere techniek. Die ook maar beperkt uitgangsstroom kan leveren en binnen de specs blijven, dat is dus een compromis zoals alles.

Als je de eisen te krap stelt voor het spanningsbereik van een 1, dan wordt het gebruik van pull-up weerstanden al lastiger. De fan-out wordt lager omdat de uitgangstransistor geen low sat vermogenstransistor is. Enz.

Als je trouwens naar een serie als HNIL kijkt, dan zie je dat de uitgangtransistor aan de bovenkant min of meer als optioneel wordt beschouwd. Daar zal dus ook wel een stukje geschiedenis achter zitten dat al bij DTL begon. Zo kan je met open collector uitgangen en een pull-upweerstand ook een wired OR maken.

Voortbordurend op het nut van schakeldrempels. HNIL is bijvoorbeeld speciaal om wat ruimte te houden tussen de schakelniveau's zodat inductiespanningen niet tot onterechte detecties zouden kunnen voeren. Het is feitelijk uit 12-15V gevoede DTL met zenerdiodes erin.

Je zult met de ingangsdrempels van je logica dus ook rekening moeten houden met al dit soort omstandigheden aan de uitgang. Zo'n logicaserie die aan jouw eisen voldoet maakt het voor andere ontwerpers juist weer moeilijker. Daarom zijn er ook zoveel van.

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."
Frederick E. Terman

Honourable Member

Die TTL-ingangen waren niet bepaald stroomloos. Dus als één TTL-uitgang meer TTL-ingangen moest aansturen, dan kon de spanning van de '1' wel zakken. (En van de '0' stijgen, maar zoals je ziet in het schema, gaat dat lang niet zo hard.)
Het gaat dus helemaal niet om zomaar wat willekeurige fluctuaties van die spanning, maar gewoon om de uitgangsweerstand van de poort.

Daarom is afgesproken welke spanning nog acceptabel was, zodat je als ontwerper wist waar je aan toe was.

Dat gezegd hebbende: als er geen of nauwelijks stroom wordt gevraagd, zal de spanning ook niet of maar weinig zakken.
Dus als je een TTL-uitgang alleen maar wat CMOS laat aansturen, heb je dus ruim 99,99% kans dat dat goed gaat - en dan ook goed blijft gaan.

Die 'mag niet'-regel betekent alleen maar: als het per ongeluk tóch nét niet lukt, kom dan niet klagen, maar pas zelf even wat aan. :)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 2 juni 2023 13:24:23 schreef Frederick E. Terman:
Die TTL-ingangen waren niet bepaald stroomloos. Dus als één TTL-uitgang meer TTL-ingangen moest aansturen, dan kon de spanning van de '1' wel zakken. (En van de '0' stijgen, maar zoals je ziet in het schema, gaat dat lang niet zo hard.)
Het gaat dus helemaal niet om zomaar wat willekeurige fluctuaties van die spanning, maar gewoon om de uitgangsweerstand van de poort.

Daarom is afgesproken welke spanning nog acceptabel was, zodat je als ontwerper wist waar je aan toe was.

Dat gezegd hebbende: als er geen of nauwelijks stroom wordt gevraagd, zal de spanning ook niet of maar weinig zakken.
Dus als je een TTL-uitgang alleen maar wat CMOS laat aansturen, heb je dus ruim 99,99% kans dat dat goed gaat - en dan ook goed blijft gaan.

Die 'mag niet'-regel betekent alleen maar: als het per ongeluk tóch nét niet lukt, kom dan niet klagen, maar pas zelf even wat aan. :)

Om die reden spraken we bij TTL toch van fan-in en fan-out? Standaard was de ene 1, de ander 10; zodat 1 standaarduitgang 10 standaardingangen kon aansturen. Maar er waren ook poorten met fan-in 2, dacht ik.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Ja; de fan-out is het aantal "standaard inputs" dat je kunt aansturen terwijl de spanning binnen tolerantie blijft. Maar die 'standaard' was al gauw ouderwets: van 74HC's kun je zowat zoveel aansturen als je wilt.

(Fan-in is het aantal ingangen dat een poort heeft. Het gaat daarbij dus niet om wat één zo'n ingang verbruikt.)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Op 2 juni 2023 13:24:23 schreef Frederick E. Terman:
Die TTL-ingangen waren niet bepaald stroomloos. Dus als één TTL-uitgang meer TTL-ingangen moest aansturen, dan kon de spanning van de '1' wel zakken. (En van de '0' stijgen, maar zoals je ziet in het schema, gaat dat lang niet zo hard.)
Het gaat dus helemaal niet om zomaar wat willekeurige fluctuaties van die spanning, maar gewoon om de uitgangsweerstand van de poort.

Daarom is afgesproken welke spanning nog acceptabel was, zodat je als ontwerper wist waar je aan toe was.

Dat gezegd hebbende: als er geen of nauwelijks stroom wordt gevraagd, zal de spanning ook niet of maar weinig zakken.
Dus als je een TTL-uitgang alleen maar wat CMOS laat aansturen, heb je dus ruim 99,99% kans dat dat goed gaat - en dan ook goed blijft gaan.

Die 'mag niet'-regel betekent alleen maar: als het per ongeluk tóch nét niet lukt, kom dan niet klagen, maar pas zelf even wat aan. :)

Dat vind ik een goed argument!

Al met al is het dus waar en was de marge op uitgangsniveau betrekkelijk ruim.
Ik kon me dat niet indenken, vandaar ook dat topic.

Bedankt voor al deze info. :-)

Ik moet hier weer vaker komen... Wat kun je zo'n forum als deze gaan missen. :-)

Om te beginnen zou ik zelf TTL en CMOS niet combineren. Sterker nog, ik heb de TTL fase overgeslagen omdat ik dat te gecompliceerd vond in gebruik.
Maar als het toch nodig is om te combineren, dan kun je er altijd een transistortrap of een ander soort buffer tussen zetten om te zorgen dat je voldoende puf hebt.

blackdog

Golden Member

Hi,

Mag niet, is zoals F.E.T. al aangeeft, niet direct aan de orde...
Maar de oude echte TTL typen waren niet direct zuinig en hadden allerlei onhebbelijkheden waar ik nu verder niet op in ga,
dit omdat het toch al vrij complex is.

Door de fabrikanten wordt een bandbreedte aangegeven waarbij hun product goed werkt, je kan het ook marges noemen binnen de voeding spanning van het type noemen, deze zijn anders voor de ingangen en de uitgangen van het product.
De echte TTL uit de 60 jaren zijn nogal hongerig en of je deze kan koppelen aan de ingangen of kan aansturen met CMOS hangt van het type/functie van het IC af.

De moderne 3.3V logica kan je in principe niet koppelen met de oude TTL logica, dit omdat de marges waar het IC bedrijf zeker is te grote verschillen heeft.

De CMOS logica b.v. een CD4093 geeft aan de uitgang een echte "0" en je voedingspanning, b.v. 5V als je voedingspanning 5V is.
Kan een CD4093 uitgang een enkele TTL poort aansturen, uit mijn hoofd weet ik het niet, dan moet ik de gemiddelde stroom weten dat een standaard TTL ingang nodig heeft.
Een CD4093 kan bij 5V voeding maar een mA leveren en zeker dan niet bij "0V" en 5V, maar belangrijk is natuurlijk dat dat de marge die de TTL ingang nodig heeft om goed werken die je gaat aansturen, goed gehaald gaat worden.
Een scoop en een functie generator een hand vol verschillende soorten TTL logica gaat je snel leren wat mogelijk is.
Natuurlijk ook de datasheets van de typen logica die je wilt gebruiken.
Bijna iedere fabrikant heeft info beschikbaar waar het type logica aan voldoet, dus b.v. TTL, LS-TTL, CMOS, HCT enz.
Er is wat overlap tussen de versies en om het nog ingewikkelder te maken heb je bij b.v. bij CMOS versies speciale typen die goed compatibel zijn met oudere versies zoals de TTL en LS-TTL.

Ik heb het nu niet direct beschikbaar, maar een zijn wat documenten met de zoekmachine te vinden die mooi aangeven wat de logische niveaus zijn en de "Fan Out"
"Fan Out" geeft aan hoeveel ingangen een TTL uitgang kan aansturen dit binnen zijn architectuur, dus de "Fan Out" geld dan voor TTL.
Zeg dat een poort uitgang van TTL een "Fan Out" van 5 heeft, dat betekend dan dat over zijn temperatuur range en snelheid hij 5 ingangen kan aansturen van de TTL series.

In principe kan die zelfde TTL poort 30x CD4093 poorten aansturen als de CD4093 ook uit 5V gevoed wordt, de beperking zit dan meestal de ingang capaciteiten van de CMOS device.

Maar wat echt wel en niet kan, is een zoekplaatje, wat ik al zij, een functie generator en een scoop gaat je veel info opleveren.
Hou ook rekening met dat Fairchild, RCA, National, Siemens enz. allemaal kleine variaties hebben in hun specificaties.

De CD4000 serie kan over het algemeen tot 18V hebben denk daarbij aan de RCA versies.
De HEF versies van Philips liever niet boven de 15V maar 12V is veiliger.
De "Fan Out" van deze CMOS series is sterk afhankelijk van de voeding spanning, bij 5V voeding kan CMOS veel minder aansturen dan bij zeg 15V.

Dat er allemaal nieuwe CMOS “architecturen” beschikbaar zijn wat ook CMOS is,
daar heb ik het hier nu niet over, die zijn meestal maar voor een heel beperkt voedingspanning gebied geschikt.

Dit is een vrij beknopte opsomming en het is nog complexer, leuker kan ik het niet maken. ;)

Groet,
Bram

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
RAAF12

Golden Member

Op 2 juni 2023 15:16:46 schreef KlaasZ:
Om te beginnen zou ik zelf TTL en CMOS niet combineren. Sterker nog, ik heb de TTL fase overgeslagen omdat ik dat te gecompliceerd vond in gebruik.
Maar als het toch nodig is om te combineren, dan kun je er altijd een transistortrap of een ander soort buffer tussen zetten om te zorgen dat je voldoende puf hebt.

Hoe kan je dat overslaan? De logische CMOS familie verscheen na de TTL.
Ik ben met RTL begonnen maar daar waren er niet veel van.

Op 2 juni 2023 15:42:35 schreef RAAF12:
Hoe kan je dat overslaan? De logische CMOS familie verscheen na de TTL.

Weet ik ook wel. Maar ik ben begonnen met discrete componenten. Op het werk hadden we besturingen met transistorschakelingen. Eén hele flip-flop op een printkaart. Later kwam er TTL, maar dat vond ik nogal fuzzy.
Ik had er dus beroepsmatig wel mee te maken, maar voor de hobby heb ik het overgeslagen.

rbeckers

Overleden

Dat plaatje heb ik vaker gezien.
Bij TI zijn er diverse boeken over logica families en hoe ze te koppelen.

Op 2 juni 2023 13:18:10 schreef maartenbakker:
[...]
Een kleine aanpassing is duur en onhandig. Voor je het weet heb je tientallen letterseries voor TTL.

Oh wacht... S, H, L, LS, ALS, HC, HCT, enz.

En je hebt nog AS, ACT, AHCT, LVC, en nog wel meer.

Het probleem is dat LS geen CD/HEF kan aansturen zonder aanpassing.
Voh minimum van TTL is 2.0V Voh max=0.8V. Zie plaatje van flas2b.
De ingang van cmos is <40% / >60% * Vcc = <= 2.0V / >= 3.0V. Staat NIET op het plaatje van flash2b.
En met die laatste ga je het schip in want TTL hoog is maar 2.0V in worse case gevallen.

Om een simpele aanpassing te doen moet je of de HCT typen gebruiken of indien niet beschikbaar een 4k7 pullup aan de TTL output hangen (naar +5V). Dat werkt ook en kom je binnen spec uit.

1-st law of Henri: De wet van behoud van ellende. 2-nd law of Henri: Ellende komt nooit alleen.
benleentje

Golden Member

Als dat zo is, waarom is dat dan zo? Waarom had men in de wijsheid van die tijd niet het idee gevat om daar een extra tor in te bouwen?

In die tijd was het gewoon de bedoeling om met TTL andere TTL aan te sturen en dan speelt het probleem niet. De technologie was ook nog niet zo goed als nu en overal een extra tor(ren) inbouwen kost ook geld.

Mensen zijn soms net als een gelijkrichter, ze willen graag hun gelijk hebben.

Op 2 juni 2023 20:01:43 schreef benleentje:
[...]In die tijd was het gewoon de bedoeling om met TTL andere TTL aan te sturen en dan speelt het probleem niet. De technologie was ook nog niet zo goed als nu en overal een extra tor(ren) inbouwen kost ook geld.

Precies. TTL was een ongelofelijke stap voorwaarts, eigenlijk een reuzesprong. Dat er daarbij niet zoveel aandacht ging naar wat later zou kunnen komen, is niet meer dan normaal. Ontdekkingsreizig(st)ers kijken voor zich, niet achter zich.

Op 2 juni 2023 20:07:39 schreef Paulinha_B:
[...]

Precies. TTL was een ongelofelijke stap voorwaarts, eigenlijk een reuzesprong. Dat er daarbij niet zoveel aandacht ging naar wat later zou kunnen komen, is niet meer dan normaal. Ontdekkingsreizig(st)ers kijken voor zich, niet achter zich.

Yep, van TT naar TTL scheelde een hele hoop hernia's. En compatibiliteit tussen TT en TTL was helemaal ver te zoeken. Was niet nodig ook.

maartenbakker

Golden Member

TT? Motorfietsraces? Transistor-Transistor maar dan onlogisch?

Het opvalendste dat TTL deed ten opzichte van de directe voorlopers was diodes vervangen door transistoren met meerdere emitters. En de pull-up weerstand werd in de meeste gevallen afgeschaft en vervangen door een totempaal eindtrapje zoals bij DTL-achtigen nog wat minder vaak het geval was.

Bij hernia's denk ik aan relaislogica. Daar waren de uitgangsniveau's trouwens wel rail-to-rail.

www.elba-elektro.nl | "The mind is a funny thing. Sometimes it needs a good whack on the side of the head to jar things loose."