• TTL steht für Transistor-Transistor-Logik - alle integrierbaren Bauelemente werden aus Transistoren aufgebaut - siehe auch hier ;-)
• Bipolar bezeichnet, dass sowohl np-, als auch pn-Übergänge technologisch gefertigt werden

Für alle TTL-Baureihen gilt:

• gleiche Speisespannung U_CC = 5 V 
• gleiche Eingangs- und Ausgangspegel (aber unterschiedliche Lastfaktoren) und damit beliebige Zusammenschaltbarkeit;
• Pin- und Funktionskompatibilität bei Schaltkreisen gleichen Typs, aber verschiedener Baureihen (z. B. 7400, 74LS00, 74ALS00).
• Schaltung und Kennwerte des NAND-Gatters (Bild unten) dienen zum Baureihenvergleich
• sonstiges - auch dynamisches Pegelverhalten gibt's hier ;-)
• ideales Taktverhalten gibt's hier - das gibt's aber praktisch gar nicht ;-)

  TTL-Pegelverhalten	TTL-Anstiegszeitverhalten alte
  elektrische Innenschaltung eines NAND-Gates in Bipolartechnik

  1. 74-er Standardbaureihe
  2. 74-erHochgeschwindigkeits-Serie
  3. 74-er Low-Power-Reihe
  4. 74-er Low-Power-Schottky-Reihe
  5. 74-er Advanced-Low-Power-Schottky-Reihe
  6. 74-er Advanced-Schottky-Reihe
  7. 74-erFast-Serie
  8. Ausgangsstufen der TTL-Reihe
  9. Ausgangsbelastbarkeit der TTL-Reihe
10. Betriebsspannungen der TTL-Reihe
11. Statische und dynamische Kenndaten wichtiger TTL-Reihen

Entwicklung der 8 verschiedenen TTL-Baureihen (Die Kennwerte sind jeweils typische Werte)

74-Standard-Reihe (ab 1963)

Sie war zeitlich die erste TTL-Baureihe und wird seit ihrer Einführung 1963 bis heute produziert und eingesetzt. Von allen TTL-Reihen war sie preislich die günstigste. In ihr existieren nur Schaltkreistypen kleinen und mittleren Integrationsgrads.

1. Durch die rasche und weltweite Verbreitung innerhalb der ersten 10 Jahre ist sie zum allgemeinen Vergleichsmaßstab für Digitalbaureihen sowie zum Vorläufer und Ausgangspunkt für 7 weitere TTL-Baureihen geworden (Tafel oben). Deshalb wird sie TTL-Standard-Reihe genannt.
2. Mit den beiden nachfolgenden Baureihen konnte der Leistungsverbrauch nur auf Kosten einer höheren Schaltzeit (74L-Reihe) bzw. die Schaltzeit auf Kosten eines höheren Leistungsverbrauchs (74H-Reihe) reduziert werden. Beide besitzen heute keine praktische Bedeutung mehr.
3. Erst mit Erfindung und Anwendung der Schottky-Diode und einer verbesserten Schaltungstechnik und Technologie ließ sich bei etwa gleichbleibender Schaltzeit der Leistungsverbrauch stark reduzieren (74LS-Reihe) und bei nur mäßig erhöhter Leistung die Schaltzeit drastisch verringern (74S-Reihe).
4. Die Anwendung neuer technologischer Verfahren und einer neuen Schaltungstechnik führten dann zu den 74ALS- und 74AS-Baureihen mit noch wesentlich verringerter 
   Schaltzeit und Leistungsaufnahme.
5. Die elektrischen Anschlusswerte U_IL, U_IH, U_OL, U_OH nach Tafel oben heißen TTL-Pegel. Sie sind (mit geringen Abweichungen) für alle TTL-Schaltkreise gültig und bilden eine Art "Vergleichsnorm" für alle weiteren Logikfamilien.

74H-Reihe (1967-1981)

Niederohmigere Dimensionierung ergab diese etwas schnellere, aber im Leistungsverbrauch wesentlich höhere TTL-Reihe. Sie wurde seinerzeit als Hochgeschwindigkeitsbaureihe bezeichnet und war als zweite TTL-Reihe nach der Standard-Reihe verfügbar.
Obwohl noch vereinzelt eingesetzt (häufig das Leistungsgatter 74H40 wegen des hohen Sink-Stromes I_OL), hat sie keine Bedeutung mehr. Sie wird durch die 74S-Reihe ersetzt und von den meisten Herstellern seit 1980 nicht mehr angeboten.

74L-Reihe (1969-1981)

Eine hochohmigere Dimensionierung führte zu dieser leistungsarmen, aber sehr langsamen Low-power-Reihe mit nur geringer Typenanzahl für Anwendungen unterhalb 1 MHz. Sie ist infolge der für die meisten Anwendungen zu großen Verzögerungszeiten durch die 74LS-Reihe abgelöst worden und seit 1980 ebenfalls nicht mehr im Herstellerangebot.
Die 74L-Reihe ist als langsame Baureihe mit 35 ns Verzögerungszeit (und 25 ns Impulsflanken) rund 5- bis 10mal langsamer als die übrigen TTL-Reihen. Ihr wurde deshalb eine größere dynamische Störsicherheit nachgesagt. Das gilt jedoch nur für kurzzeitige Störimpulse von weniger als 50.-.100 ns Dauer, wie sie z. B. von anderen Logiksystemen mit schnelleren Bausteinen ausgehen können.
Die kürzesten, von externen Störquellen, z. B. von Steuer-, Regelungs- und Schaltanlagen, ausgehenden Störimpulse liegen dagegen im ms- und 1-Bereich. Ihnen gegenüber ist die langsame 74L-Reihe keineswegs störsicherer als die übrigen schnelleren TTL-Reihen, weil die genannten Störungen immer noch langsam im Vergleich zur Schaltzeit sind und die dynamische Störsicherheit damit gleich dem (für alle TTL-Reihen gleichen) statischen Störabstand ist.

74LS-Reihe (ab 1969) 

Schottky-Transistoren sowie eine verbesserte Schaltungstechnik und -technologie haben zu dieser schnellen Baureihe mit im Vergleich zur 74H-Reihe wesentlich kürzeren Schaltzeiten (3 statt 6 ns) bei weniger Leistungsverbrauch (19 statt 22 mW) geführt. Sie galt nach der ECL als schnellste Digitalreihe. Die Grundgatter können bis 40 MHz betrieben werden, die Flipflops noch weit darüber (s. Tafel oben).
In dieser Reihe existieren nur wenige ausgesuchte Schaltkreistypen, die an den Stellen eingesetzt werden, wo es auf kürzeste Verzögerungszeiten ankommt. Für viele Neuentwicklungen wird bereits die 1980 erschienene 74ALS-Reihe vorgesehen, die nur wenig langsamer ist, aber einen um den Faktor 18 geringeren Leistungsverbrauch hat. 
74LS-Reihe (ab 1971).

Schaltsymbol und Kennlinie einer Schottky-Diode

Kennzeichen der Low-power-Schottky-TTL-Baureihe 74LS sind (durch Verwendung von Schottky-Transistoren nach Bild oben und durch verbesserte Schaltungstechnik und Technologie erzielte) kürzere Schaltzeit und verringerte Leistungsaufnahme.Hinweise zur 74LS-Reihe:

1. Die Bezeichnung "Schottky-TTL" oder "Schottky-Baureihe" rührt daher, dass bei jedem Transistor der Schaltung (bis auf den oberen Ausgangstransistor) die BasisKollektor-Strecke mit einer Schottky-Diode (Schottky-Barrier-Diode) überbrückt ist (Bild 5.4).Mit diesem Schaltungsprinzip des sog. "baker-clamp" kann der leitende Transistor nicht mehr in die Sättigung gelangen. Die Basis speichert weniger Ladung (die sich beim Übergang in den gesperrten Zustand schneller abführen lässt), und der Transistor kann wesentlich schneller gesperrt werden. Schottky-Transistoren haben kürzere Schaltzeiten und können bei höheren Impulsfrequenzen betrieben werden. Andererseits können damit Schaltkreise bei gleicher Geschwindigkeit hochohmiger dimensioniert werden und verbrauchen weniger Leistung.
2. Die Schottky-Diode eignet sich für diese Anwendung besonders, weil sie sehr kurze Schaltzeiten und eine kleinere Flussspannung (0,3...0,4 V) als normale Dioden hat. Sie ist durch ihre höhere Durchbruch- bzw. Sperrspannung (Bild oben) außerdem sehr spannungsfest. Als Eingangsdiode bei 74LS- und 74ALS-Schaltkreisen lässt sie deshalb höhere Eingangsspannungen zu (so dass 74LS-Eingänge z. B. direkt an einen 15-V-CMOS-Ausgang geschaltet werden können).
3. Bei allen Schottky-Baureihen enthält jeder Schaltkreiseingang eine Schottky-Diode nach Masse (Clamping- oder Begrenzungsdiode) zum Schutz vor negativen Spannungsspitzen. Bei der ALS-Reihe ist außerdem jeder Ausgang mit einer Schottky-Diode (nach Masse) geschützt.
4. Mit über 300 Schaltkreistypen ist die 74LS-Reihe heute die am meisten verwendete universelle Logikbaureihe. Ersatz und Ablösung der 74er Reihe werden herstellerseitig gefördert; preislich sind 74LS-Schaltkreise z. T. bereits billiger als die entsprechenden Standardtypen. Die 74LS-Baureihe ist damit zur TTL-Standardbaureihe der 2. Generation geworden.
5. Die aus der 74S-Reihe weiterentwickelte 74LS-Reihe enthält keine Vielfachemittereingänge mehr. Die Entkopplung mehrerer Gattereingänge geschieht durch Schottky-Dioden mit gemeinsamer Anode.
6. Das 74LS-Gatter ist hochohmiger als das 74S-Gatter dimensioniert und hat a) nur 20% Leistungsverbrauch des 74er Gatters (2 statt 10 mW bei 9 statt 10 ns) und b) nur 11% Leistungsverbrauch des 74S-Gatters (2 statt 18 mW bei 3facher Verzögerungszeit). Auf diese Weise lassen sich in einem 14- oder 16poligen DIL-Gehäuse größere Schaltungskomplexe als bei den anderen Baureihen unterbringen, ohne dass die zulässige Verlustleistung überschritten wird. Ein großer Teil der 74LS- und 74ALS-Typen besteht deshalb aus höher integrierten TTL-Schaltungen.

74ALS-Reihe (ab 1980)

Die beiden großen Verbesserungen der ALS-Reihe bestehen in der Verringerung der Verzögerungszeit und des Leistungsverbrauchs auf jeweils die Hälfte (gegenüber 74LS). 74ALS-Schaltkreise sind ebenfalls mit Schottky-Transistoren aufgebaut und besitzen im Vergleich zur 74LS-Reihe folgende Vorteile:

• kürzere Schaltzeit,
• höhere zulässige Impulsfrequenz, 
• geringerer Leistungsverbrauch,
• größere statische und dynamische Störsicherheit, 
• größere maximale Eingangsspannung (30...35 V), 
• geringere Temperaturabhängigkeit der Kennwerte, 

höherer Integrationsgrad und damit höhere Zuverlässigkeit. Ein weiterer Vorteil der ALS-Technologie sind die kleineren geometrischen Abmessungen der Komponenten auf dem Chip. Sie ermöglichen größere Packungsdichten und damit die Integration auch großer Schaltungskomplexe (LSI). Die niedrige Leistungsaufnahme ergibt niedrige Kristalltemperaturen auf dem Chip und führt in Verbindung mit einer hohen Integrationsstufe auch zu einer höheren Zuverlässigkeit der mit ALS-Schaltkreisen aufgebauten Logiksysteme. In Tafel unten sind Kennwerte der 74ALS- und der 74LS-Reihe gegenübergestellt.

Kennwerttabelle der LS und ALS-Baureihe

Kennwertvergleich zwischen einem 74LS00- und einem 74ALS00-Gatter

Die günstigen Eigenschaften der ALS-Schaltkreise werden vor allem durch 2 neue Prozessschritte in der Schaltungstechnologie erzielt:

• Die notwendigen Störstellen im Halbleiter werden nicht mehr durch Diffusion, sondern durch Zonenimplantation erzeugt. Hierbei ist die Dotierungstiefe leichter steuerbar, so dass sich auch dünnere Epitaxieschichten und damit kleinere Abmessungen mit geringeren parasitären Kapazitäten ergeben,
• für die Isolierung der aktiven und passiven Komponenten auf dem Substrat wird anstelle des bisher üblichen Junction-Isolationsprozesses (Isolierung durch pn-Sperrschichten) ein neuer Oxid-Isolationsprozess benutzt. Das führt u. a.. zu kleineren Kollektor-Substrat-Kapazitäten [17].

Typenspektrum ALS

Mit 185 verschiedenen ALS-Schaltkreisen erreicht das ALS-Spektrum den Umfang der alten Standard-Reihe (175 Typen), wobei viele neuentwickelte Schaltkreise nur als ALS-Typen existieren (z. B. ALS500- und ALS1000-Serie, schnelle Speicher und Interface für 8-bit- und 16-bit-Systeme). ALS-Gehäuse.
Infolge des geringen Leistungsverbrauchs wird für die höher integrierten ALS-Typen das 20- oder 24polige schmale DIL-Gehäuse verwendet. Das ergibt auf der Leiterplatte eine Platzersparnis bis zu 50% gegenüber herkömmlichen TTL-Lösungen. Der Ersatz von 74LS- oder Standardschaltkreisen durch die ALS-Reihe ist technisch fast immer möglich, aber nur dort sinnvoll, wo die damit verbundenen und erkauften Vorteile zu einer billigeren Gesamtlösung beitragen (die den höheren ALS-Preis rechtfertigt). Gegenüber der LOCMOS-Reihe HEF 4000 hat die ALS-Reihe u. a. folgende Vorteile:

• geringerer Leistungsverbrauch bei Frequenzen >2...5 MHz,
• kleinere Verzögerungszeiten bei höheren Lastfaktoren, 
• größere Störsicherheit bei U_CC = 5 V.

Im Vergleich zur High-speed-CMOS-Reihe 74HC besitzt die ALS-Reihe bis auf die kürzeren Schaltzeiten keine weiteren Vorteile mehr. Zwischen beiden Baureihen ist eine starke Konkurrenz im Entstehen begriffen. Eine allgemeine Entscheidung wird erst nach weiteren Erfahrungen der Anwender mit beiden Baureihen möglich sein.

74AS-Reihe (ab 1982)

Diese extrem schnelle, voll TTL-kompatible Hochgeschwindigkeitsreihe erreicht Schaltzeiten im 1...2-ns-Bereich, die bisher nur mit ECL-Schaltkreisen realisierbar waren. Ihre maximale Verlustleistung mit 12 ... 22 mW je Gatter liegt nicht wesentlich über dein Wert der 748-Reihe. Die 74AS-Reihe stellt damit eine echte Alternative zur ECL-Technik dar.

1. Gatterschaltkreise existieren in der AS-Reihe nur als Treiber mit Tristate-Ausgang und Treiberströme bis I_OL = 48 mA, I_OH = 15 mA, die eine direkte Ansteuerung von Busleitungen mit Wellenwiderständen bis herab zu 50 Ohm zulassen.
2. Die Verzögerungszeit des einzelnen AS-Gatters ist unterschiedlich. Es gibt Einzelgatter mit herausgeführtem Eingang und Ausgang sowie interne Gatter. Letztere haben günstigere Werte, da sie keine zusätzlichen Treiber- oder Pufferstufen aufweisen.

Internes AS-Gatter im MSI/LSI-Schaltkreis:

• Verzögerungszeit typ. 1 ns,
• Leistungsaufnahme typ. 12 mW. Einzelnes AS-Gatter im SSI-Schaltkreis:
• Verzögerungszeit typ. 1,5 ns,
• Leistungsaufnahme typ. 22 rnW. 

Durchschnittswerte für ein AS-Gatter sind typ. 1,7 ns und typ. 15 mW.

74F-Reihe (ab 1979)

Zur FAST-TTL-Baureihe 74F vgl. Abschn. 6.8. 

Allgemeines über die TTL-Serie 

Ausführliche Beschreibungen des Aufbaus von integrierten TTL-Schaltungen sind in zahlreichen Veröffentlichungen zu finden. Es werden daher an dieser Stelle nur die wichtigsten Eigenschaften der TTL-Schaltungen und deren verschiedenen Versionen kurz aufgezählt und einige zusätzliche Informationen gegeben. Derzeit gibt es einschließlich der Standard-Ausführung insgesamt Serien oder Familien:

Signaldurchlaufzeit und Gatterverlustleistung in einzelnen TTL-Baureihen

Ordnet man die Familien bezüglich ihrer Schaltzeiten an, kann man folgende Reihenfolge aufstellen:

Ausgangsbelastung: C_L = 15pF;  R_L = 280 Ohm 

Platzierung der Baureihen in Bezug auf die Signaldurchlaufzeiten

Bei der Anordnung der Familien bezüglich ihrer Leistungsaufnahme ergibt sich folgende Reihenfolge:

gilt für unbelastete Ausgänge bei 1 kHz und einem Tastverhältnis von 50% 

Platzierung der Baureihen in Bezug auf den Leistungsumsatz pro Gatter

TTL-Ausgangsstufen

• Gegentakt-Endstufe, auch Totem-pole-Endstufe oder „Push-Pull-Endstufe" genannt. Dies ist die bei TTL-Stufen üblichste Ausgangsstufe. Anstiegsund Abfallzeiten sind praktisch gleich lang. Diese Ausgänge dürfen nicht parallel geschaltet werden. Es sind keine externen Bauelemente für den Betrieb erforderlich.

• Ausgang mit offenem Kollektor (o. K.). Hier muss ein externer Widerstand (Arbeitswiderstand) an +U_g gelegt werden, wodurch eine Wired-AND-Funktion realisiert werden kann,

• Dreizustands-Ausgang (Tristate). Bei den beiden aktiven Zuständen logisch 0 und logisch 1 verhält er sich wie der bekannte Totem-pole. Im dritten 
  Zustand (auch als Z-Zustand bezeichnet) besitzt der Ausgang eine sehr hohe Impedanz und belastet daher die angeschlossenen Schaltungen, insbesondere Bus-Leitungen, nicht. Der Ausgang passt sich hierbei dem 
  Pegelzustand der Leitung an.

Ausgangsbelastbarkeit (Fan Out)

Die Ausgangsbelastbarkeit gibt an, von wie viel Lasteinheiten (N) der Baustein bei L-Potential einen Strom zu ziehen vermag, bzw. an wie viel Lasteinheiten er bei H-Potential einen Strom liefern kann. Z.B. ist jeder Standard-Ausgang imstande, 10 Standard-Eingänge zu steuern. Ein Low-Power-Baustein kann dagegen nur einen einzigen Schottky-Eingang treiben. Nachstehende Tabelle gibt eine Übersicht für die übrigen Familien:

Ausgangsbelastbarkeit der TTL-Reihen

Betriebsspannungen und -ströme der wichtigsten TTL-Baureihen

gemeinsame technische Grunddaten der TTL-Reihen

¹) bei I_OL max

²) bei U_OL max

³) bei gepufferten Ausgängen 40 mA

Bezeichnung der TTL-Bausteine

In den Tabellen "Numerisches Typenverzeichnis", "Typenübersicht nach Funktionsgruppen" und den Einzelbeschreibungen sind die TTL-Bausteine nur mit ihrer Nummer, bestehend aus einer zusammenhängenden Gruppe von 4, 5, 6 oder 7 Ziffern gekennzeichnet.
Die einzelnen Firmen identifizieren ihre Produkte durch zusätzliche Buchstaben, die der Seriennummer vorangestellt werden. Diese Firmenbezeichnungen sind anschließend beschrieben:

• Advanced Micro Devices (AMD) setzt die Buchstaben Am vor die Typennummer (also AmXXXX).
• Fairchild (FA) verwendet meist keine zusätzlichen Buchstaben (also XXXX). 
• Hitachi (HIT) setzt HD vor die Typennummer (also HD XXXX).
• Monollthic Memories GmbH (MMI) setzt die Buchstaben SN vor die Typennummer (SN XXXX).
• Motorola (MOT) setzt die Buchstaben SN vor die Typennummer (also SN XXXX), und bei Fast MC (also MC XXXX).
• National Semiconductors (IMS) setzt die Buchstaben DM vor die Typennummer (also DM XXXX).
• SGS-Ates (SGS) setzt den Buchstaben T vor die Typennummer (also T XXXX).
• Siemens (SIE) verwendet eigene Bezeichnungen FLH 101 usw., versieht seine Bausteine jedoch gleichzeitig mit der Standard-Bezeichnung 74 XX. 
• Texas Instruments (TI) setzt die Buchstaben SN vor die Typennummer (also SN XXXX).
• Toshiba (TOS) setzt die Buchstaben TC vor die Typennummer (also TC XXXX).
• Valvo (VA) setzt manchmal den Buchstaben N vor die Typennummer (also N XXXX).

Alle Hersteller kennzeichnen die einzelnen Familien der TTL-Serie einheitlich wie folgt:

• Standard-TTL 74 XX
• Advanced-Low-Power-Schottky-TTL 74 ALS XX
• Advanced-Schottky-TTL 74 AS XX
• Fast-Schottky-TTL 74 F XX
• High-Power-TTL 74 H XX
• Low-Power-TTL 74 L XX
• Low-Power-Schottky-TTL 74 LS XX
• Schottky-TTL 74 S XX

Technische Kenndaten der wichtigsten TTL-Baureihen

In der Tafel unten sind die wichtigsten statischen und dynamischen Kennwerte von 5 TTL-Baureihen vergleichsweise zusammengestellt.

1. Ströme und Spannungen: Die typischen Werte gelten bei U_CC = 5 V und T = 25 °C, die maximalen/minimalen Werte bei 0...70 °C (und 4,75 bzw. 5,25 V).
2. Schaltzeiten und Taktfrequenzen: Die typischen und Mindestwerte gelten bei U_CC = 5 V und T = 25 °C.

Statische und dynamische Kennwerte von TTL-Baureihen (NAND-Gatter) 

(zur TTL-FAST-Reihe vgl. Tafel 6.6)
¹⁾ Ströme und Spannungen gelten bei 0...70 °C.

Planarprozeß bei bipolaren integrierten Schaltungen

Prozessablauf. Tafel unten zeigt die wichtigsten Prozessschritte bei der Herstellung eines monolithischen Bipolarschaltkreises:

1. Epitaxie 
2. Dotierung 
3. Strukturierung mit Hilfe der Fotolithographie
4. Präparierung von Oberflächenschichten.

Die Epitaxie, d. h. das Aufwachsen einer einkristallinen Halbleiterschicht auf das Substrat, ergibt im Gegensatz zur Diffusion gleichmäßig dotierte Schichten.
Die Dotierung erfolgt meist durch Diffusion, neuerdings zunehmend durch Jonenimplantation. Besondere Bedeutung für den Planarprozess hat die Si0z-Schicht an der Siliziumoberfläche, die beim Diffusionsvorgang von selbst entsteht und die auch gezielt hergestellt wird. Sie wirkt nämlich bei der Schaltkreisherstellung als Diffusionsmaske und ermöglicht auf diese Weise die exakte Strukturierung (d. h. räumliche Abgrenzung) der unterschiedlich zu dotierenden Halbleiterzonen.
Wie aus Tafel 4.2 ersichtlich ist, erfolgt die Fertigung in mehreren Diffusionszyklen. 
Für jeden Diffusionszyklus wird ein getrennter Maskensatz verwendet. Der Standard-Bipolarprozess benötigt in der Regel folgende vier Diffusionszyklen:

1. Diffusion der „vergrabenen Schicht" 
2. Isolationsdiffusion
3. Basisdiffusion
4. Emitterdiffusion.

Üblicherweise sind sieben Maskensätze erforderlich; je einer für die vier Diffusionszyklen und weitere drei für die Herstellung der Kondensatoren, der Kontakte und der Oberflächenmetallisierung.
Jedes Bauelement (Transistor, Widerstand o. ä.) befindet sich auf einer gesonderten Isolationsinsel, die durch eine Isolationsdiffusion hergestellt wird. Bei Einkanal-MOS-Schaltkreisen kann die Isolationsdiffusion entfallen. Aus diesem und weiteren Gründen benötigen diese Schaltkreise wesentlich weniger Chipfläche und weniger Prozessschritte.
Bild 4.2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Bipolarschaltkreis mit einem Widerstand, einem Kondensator und einem npn-Transistor.
Isolationstechniken. Die Elemente (Transistoren, Widerstände usw.) des integrierten Schaltkreises sind in der Bipolartechnik (z. B. bei TTL-Schaltkreisen) auf „Isolationsinseln" untergebracht (Bilder unten). Zur Herstellung dieser Inseln sind folgende vier Methoden üblich:

1. pn-Sperrschichtisolation (Bild 4.2a, b)

Einfach und billig herstellbar, aber relativ große parasitäre Sperrschichtkapazität bis zu einigen pF (zwei Anteile: a) zwischen unterer Fläche der Isolationsinsel und dem Substrat und b) zwischen den Seitenflächen der Isolationsinseln und den zwischen benachharten Inseln befindlichen p+-Gebieten) und gegebenenfalls nicht vernachlässigbarer Leckwiderstand zwischen Isolationsinsel und Umgebung.
Das Potential des p-Substrats muss stets negativer sein als alle Kollektorpotentiale, damit die Sperrschicht „isolierend" wirkt. .

2. Dielektrische Isolation

Jede Kollektorinsel ist durch eine Si0₂-Schicht vom polykristallinen Siliziumsubstrat und von den übrigen Kollektorinseln hochwertig isoliert; wesentlich bessere Isolation, aber teurer in der Herstellung.

3. SOS (silicon-on-sapphire)

Auf einem Einkristall-Saphir-Substrat (Isolator) wird epitaktisch eine n-Schicht erzeugt. Durch Wegätzen bestimmter Teile des Siliziums entstehen isolierte Inseln, die nur durch das hochohmige Saphir-Substrat miteinander verbunden sind.

4. Beam-lead-Technik

Das Silizium wird in der Umgebung der Isolationsinseln weggeätzt. Die Isolationsinseln „hängen" an den Leitungszuführungen des Schaltkreises. Besonders für Mikrowellenschaltkreise und für hohe Spannungen innerhalb monolithischer Schaltkreise geeignet. Die Methoden 2 bis 4 erfordern zusätzliche Prozessschritte und sind deshalb teurer in der Herstellung.

Struktur monolithisch integrierter Schaltkreise

• unbenutzte Eingänge sind nicht im statischen, sondern im dynamischen - und dort auch nur im HF-Bereich empfindlich - den aber erreichen wir eigentlich mühelos ;-)
• meist arbeiten wir aber im statischen Bereich - also mit Schaltfrequenzen um die max. 50 Hz

Unbenutzte offene TTL-Eingänge (die nicht beschaltet sind) führen immer das Potential H. Deshalb sind z. B. die unbenutzten Eingänge eines NAND-Gatters unwirksam; man kann sie als nicht vorhanden ansehen. Die unbenutzten Eingänge des NOR-Gatters, bei dem das Pot. H „durchgreift", müssten dagegen, um unwirksam zu bleiben, an Pot. L gelegt werden. Trotzdem haben unbenutzte offene TTL-Eingänge Auswirkungen auf das dynamische Verhalten, weil sie

• die Verzögerungszeit vergrößern und
• die Störsicherheit herabsetzen (besonders Flipflopeingänge).

Die oft anzutreffende Gewohnheit, unbenutzte Eingänge unbeschaltet und offen zu lassen, ist eine Unsitte und sollte auch bei TTL-Schaltkreisen unbedingt vermieden werden. Hauptgrund ist nicht die damit erreichbare um wenige Nanosekunden kürzere Schaltzeit als vielmehr die bei offenen Eingängen vorhandene besonders hohe Empfindlichkeit gegen ein- und übergekoppelte Störungen. Besonders empfindlich sind offene Stell- und Takteingänge von Flipflops, Zählern und Schieberegistern. Zur Störsicherheit rechnet auch die sichere Austauschbarkeit gegen äquivalente Schaltkreise anderer Hersteller. Hierbei kommt es bei offenen Eingängen immer wieder zu Störungen

Beschaltung unbenutzter Eingänge

Für die Beschaltung unbenutzter Eingänge gibt es mehrere Möglichkeiten (Bilder unten)

Bild a

Bild b

Bild c

1. Anschluss an U_CC = 5 V (direkt oder mit Schutzwiderstand zur Strombegrenzung bei Störspitzen von U_CC)
2. Anschluss an einen unbenutzten TTL-Ausgang, der auf H (bzw. L) liegt; 
3. Anschluss an einen benutzten Eingang des gleichen Gatters.

Zu Bild a: Anschluss an U_CC

Es ist die empfehlenswerteste, am meisten angewendete Lösung.
In der Regel ist U_CC mit Störspitzen bzw. Überspannungen behaftet, auf die, wenn sie im ns-Bereich liegen, die Schutz- und Regelschaltungen der Stromversorgung noch nicht ansprechen. Deshalb sollten unbenutzte Eingänge immer über einen Schutzwiderstand Ra R_S >= 1 kOhm an U_CC angeschlossen werden. (Für den Mehremittereingang gefährlich ist nicht die Überspannung > 5,5 V, sondern der damit verbundene Eingangsstrom.)
Hinweis: An einen einzigen Schutzwiderstand R_S können bis zu 25 verschiedene unbenutzte Eingänge geschaltet werden . Das gilt für Mehremittereingänge der 74-, 74S-, 74H- und 74L-Reihe.
Die Diodeneingänge der 74LS- und 74ALS-Reihe haben eine höhere Eingangsspannungsfestigkeit. Bei ihnen lassen die Hersteller eine direkte Anschaltung an U_CC ohne Schutzwiderstand zu.

Zu Bild b: Anschaltung an unbenutzte Ausgänge mit Pot. H

Die Lösung ist selten anzutreffen, weil stilliegende Ausgänge bei optimalem Schaltungsentwurf nicht häufig vorkommen. Die Anzahl anschaltbarer Eingänge richtet sich nach den zulässigen Strömen I_ox und I_IA.

Zu Bild c : Anschaltung an benutzten Eingang (gleiches Gatter)

Diese Lösung hat die kürzesten Schaltzeiten und belastet den davor liegenden Ausgang wie folgt:

• bei Pot. H steigt der Lastfaktor um die Anzahl der zugeschalteten Eingänge an.
• bei Pot. L muss unterschieden werden:
  • Mehremittereingänge. Der Eingangsstrom I_IL aller parallelgeschalteten Eingänge eines Gatters kann nicht größer sein als der eines einzelnen Eingangs. Beispiel: Beim 4-Eing.-NAND 7420 gilt für den Strom eines Eingangs wie auch für die Summe aller 4 Eingangsströme I_ILmax = 1,6 mA.
  • Diodeneingänge (74LS, 74ALS). Der Lastfaktor steigt um die Anzahl der zugeschalteten Eingänge an.

Auswirkung auf die Verzögerungszeiten

Durch unbenutzte Gattereingänge verändern sich geringfügig die Verzögerungszeiten. Messungen haben zu den Ergebnissen entsprechend Tafel 6.4 geführt.

Zu Tafel unten

Jeder Mehremittereingang hat im stromlosen Zustand eine Kapazität gegen Masse von typisch 1 pF (Bereich 0,5...1,5 pF) und ergibt mit dem 4-kOhm-Basiswiderstand des Eingangstransistors (Standard-Reihe) eine Zeitkonstante von 4 ns (Bild unten).
Da die Schwellspannung mit 1,2...1,3 V bei etwa 25% von U_CC liegt, würde bei einer LH-Flanke die Kapazität des unbenutzten Eingangs erst nach 1 ns auf 1,2 V aufgeladen sein und zur Umschaltung führen. Um diese Zeit verzögert sich die HL-Ausgangsflanke und damit auch t_PHL zusätzlich.
Bei mehreren unbenutzten Eingängen wirken die Kapazitäten parallelgeschaltet und verzögern die HL-Ausgangsflanke mit jedem offenen Eingang um etwa 1 ns.

1. Anschluss an U_CC = 5 V (direkt oder mit Schutzwiderstand zur Strombegrenzung bei Störspitzen von U_CC) ;
2. Anschluss an einen unbenutzten TTL-Ausgang, der auf H (bzw. L) liegt; 
3. Anschluss an einen benutzten Eingang des gleichen Gatters.

Zu Bild a: Anschluss an U_CC

Es ist die empfehlenswerteste, am meisten angewendete Lösung. In der Regel ist U_CC mit Störspitzen bzw. Überspannungen behaftet, auf die, wenn sie im ns-Bereich liegen, die Schutz- und Regelschaltungen der Stromversorgung noch nicht ansprechen. Deshalb sollten unbenutzte Eingänge immer über einen Schutzwiderstand R_S R_S < 1 kOhm (bzw. 1-..10 kOhm oder 1...5 kOhm) an U_CC angeschlossen werden. (Für den Mehremittereingang gefährlich ist nicht die Überspannung > 5,5 V, sondern der damit verbundene Eingangsstrom.)
Hinweis: An einen einzigen Schutzwiderstand RS können bis zu 25 verschiedene unbenutzte Eingänge geschaltet werden [13]. Das gilt für Mehremittereingänge der 74-, 74S-, 74H- und 74L-Reihe.
Die Diodeneingänge der 74LS- und 74ALS-Reihe haben eine höhere Eingangsspannungsfestigkeit. Bei ihnen lassen die Hersteller eine direkte Anschaltung an U_CC ohne Schutzwiderstand zu.

Zu Bild b: Anschaltung an unbenutzte Ausgänge mit Pot. H

Die Lösung ist selten anzutreffen, weil stilliegende Ausgänge bei optimalem Schaltungsentwurf nicht häufig vorkommen. Die Anzahl anschaltbarer Eingänge richtet sich nach den zulässigen Strömen ICH und I_IH.

Zu Bild c: Anschaltung an benutzten Eingang (gleiches Gatter)

Diese Lösung hat die kürzesten Schaltzeiten und belastet den davor liegenden Ausgang wie folgt:

- Bei Pot. H steigt der Lastfaktor um die Anzahl der zugeschalteten Eingänge an. 
- Bei Pot. L muss unterschieden werden:

a) Mehremittereingänge. Der Eingangsstrom I_IL aller parallel geschalteten Eingänge eines Gatters kann nicht größer sein als der eines einzelnen Eingangs. Beispiel: Beim 4-Eing.-NAND 7420 gilt für den Strom eines Eingangs wie auch für die Summe aller 4 Eingangsströme I_ILmax = 1,6 mA.

b) Diodeneingänge (74LS, 74ALS). Der Lastfaktor steigt um die Anzahl der zugeschalteten Eingänge an.´

Auswirkung auf die Verzögerungszeiten

Durch unbenutzte Gattereingänge verändern sich geringfügig die Verzögerungszeiten. Messungen haben zu den Ergebnissen entsprechend Tafel unten geführt. Jeder Mehremittereingang hat im stromlosen Zustand eine Kapazität gegen Masse von typisch 1 pF (Bereich 0,5...1,5 pF) und ergibt mit dem 4-kOhm-Basiswiderstand des Eingangstransistors (Standard-Reihe) eine Zeitkonstante von 4 ns.
Da die Schwellspannung mit 1,2...1,3 V bei etwa 25% von U_CC liegt, würde bei einer LH-Flanke die Kapazität des unbenutzten Eingangs 'erst nach 1 ns auf 1,2 V aufgeladen sein und zur Umschaltung führen. Um diese Zeit verzögert sich die HL-Ausgangsflanke und damit auch t_PHL zusätzlich.
Bei mehreren unbenutzten Eingängen wirken die Kapazitäten parallelgeschaltet und verzögern die HL-Ausgangsflanke mit jedem offenen Eingang um etwa 1 ns [57].

TTL-Gate mit unbenutzten Eingängen	tPHL	tPLH
	tPHL wird bei Mehremittereingängen mit Eingänge jedem an 5 V oder Pot. H liegenden Eingang um 0,5 ns vergrößert	keine  Veränderung  durch  unbenutzte Eingänge
	kürzeste Schaltzeit bei allen Mehremittereingängen; bei Diodeneingängen geringere Störsicherheit infolge höherer Koppelkapazität
	größte Schaltzeit, geringste Störsicherheit, mit jedem offenliegenden Mehremittereingang vergrößert sich tPHL um 1 ns
	Eingangskapazität unbenutzter Mehremittereingänge

Ergebnis

1. Unbenutzte TTL-Eingänge (zu ihnen zählen auch die JK-Eingänge von Flipflops 7472) sollten immer über einen Schutzwiderstand R_S > 1 kOhm an U_CC = 5 V oder direkt an einen auf H befindlichen Ausgang gelegt werden. Bei 74LS- und 74ALS-Eingängen, wo R_S auch entfallen kann, wird damit zugleich die kürzeste Schaltzeit erreicht.
2. Wenn bei 74-, 74S-, 74H- und 74L-Eingängen die kürzeste Schaltzeit erzielt werden muss, sollten unbenutzte Gattereingänge mit an das Eingangssignal gelegt werden. Der Lastfaktor bei H-Potential erhöht sich damit.

Allgemeines über die TTL-Serie 

Ausführliche Beschreibungen des Aufbaus von integrierten TTL-Schaltungen sind in zahlreichen Veröffentlichungen zu finden. Es werden daher an dieser Stelle nur die wichtigsten Eigenschaften der TTL-Schaltungen und deren verschiedenen Versionen kurz aufgezählt und einige zusätzliche Informationen gegeben. Derzeit gibt es einschließlich der Standard-Ausführung insgesamt Serien oder Familien:

Signaldurchlaufzeit und Gatterverlustleistung in einzelnen TTL-Baureihen

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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