Circuits logiques DTL et TTL

Orville Baker
Physicien américain
Concepteur des circuits DTL
James Buie
Physicien américain
1920 - 1988
Concepteur des circuits TTL
1962
Thomas Longo
Physicien américain
Concepteur des circuits TTL
1962

 

Orville Baker concepteur des circuits DTL .
Une première famille de circuits utilisant des transistors bipolaires avait été conçue, la famille RTL (voir la fiche sur les circuits intégrés en général) n'était pas satisfaisante , deux tensions d'alimentation, immunité au bruit variable en fonction du nombre d'entrées connectées etc.
Orville après ses études de physique en 1956 est recruté par IBM, là il rencontre Noyce et Tom Bay (directeur du marketing de Fairchild) . En 1959 il est recruté par Fairchild et en 1961 il rejoint les fondateurs de Signetics qui a la banque Lehman Brothers comme financier. Il va s'évertuer à intégrer un circuit qu'il a déjà étudié à l'aide de composants discrets chez IBM composé essentiellement de diodes et de transistors. En 1962 Signetics sort le premier circuit DTL .
Ce circuit aura l'effet d'une bombe dans le monde de l'électronique.
Plusieurs sociètés vont fabriquer les circuits DTL et notamment Fairchild qui va concevoir grâce à sa technicité dans le domaine de l'intégration des circuits utilisant moins de silicium. Moins de matière, plus de circuit sur la plaquette de silicium (Waffer) réalisés simultanément donc moindre coût.
Baker sera membre du conseil d'administration de Signetics de 1965 à 1970 puis il passera chez  National Semiconductor (NS) pour travailler sur les microcontrôleurs

Exemple de porte DTL Nand à 2 entrées

 

La porte DTL fut le premier pas vers la production de masse des circuits intégrés logiques. Le schéma est simple et son emploi également. Une version à haute immunité au bruit pour les milieux industriels sortira plus tard où la diode D3 sur le schéma ci dessus est remplacé par une diode zener. La HL DTL (high level DTL) qui est alimentée en 12 volts..
Le besoin des utilisateurs est constant: plus de vitesse moins de consommation. ces deux critères sont souvent antinomiques La fiche ( les circuits intégrés en général) décrit les défauts entraînés par les capacités parasites des jonctions et la nécessité de trouver des chemins de charge de ces capacité. La structure TTL apporte quelques réponses.

 

James Buie (1920 - 1988) concepteur du circuit TTL

En 1954 il est employé chez Pacific Semi-conductor où il travaille sur les circuits à commutation rapide à l'aide de composants discrets.
En 1961 il conçoit une porte logique monolithique à entrées sur un transistor multi-émetteur qu'il nommera TCTL  et qu'il fera breveter . La société Pacific Semiconductor sera rachetée par TRW. Il restera dans cette société en tant que chercheur.

Simultanément , et sans se connaître

Thomas Longo chez Sylvania qui travaille également sur la commutation rapide conçoit la SUHL TTL ( Sylvania Universal High Speed Logic  - Transistor Transistor Logic ) dont la première utilisation pratique fut dans les système de guidage du missile Phoenix de Hugues. Cependant, ce sera le brevet de Buie qui prévaudra. Longo rejoindra Transitron en 1964 et Fairchild en 1970.

Commercialisée en 1963 la logique TTL va devenir la famille la plus courante pendant 20 ans.

 En 1964 Texas Instruments sort la série 54 aux normes militaires (gamme de température élevée -55°c +125°c  notamment) et 1966 la série 74 aux normes industrielles et en boîtiers plastique le fameux DIP 14 boitier Dual in Line Package 14 broches.

La technologie TTL dans un premier temps sera présentée outre les normes militaires et industrielles en trois familles:

La TTL standard  par exemple la porte Nand à 2 entrées Texas Instrument ref SN7400

la TTL rapide (High Speed ) ref SN 74H00 qui commute plus rapidement mais consomme plus La TTL faible consommation qui consomme moins mais qui est plus lente SN74L00. (Voir le cours sur les circuits logiques et ouvrez le pdf)

    Lorsqu'un transistor est saturé il est lent à se bloquer, il faut écouler toutes les charges contenues dans les jonctions. Si l'utilisation nécessite une commutation rapide, on devra s'évertuer de ne pas saturer les transistors.
    Dans une porte logique, le fan out, c'est à dire l'aptitude d'une sortie à piloter des entrées de portes logiques est fréquemment de 10. C'est à dire que 10 entrées de porte logique peuvent être connectées à cette sortie. Dans la technologie TTL ou DTL  les entrées de porte au 0 logique débitent un courant dans le transistor qui réunit ces entrées au 0 électrique. Le potentiel au 0 doit être le plus proche possible du 0 électrique , on ne peut descendre en dessous du Vce sat . Il est donc nécessaire que ce transistor soit saturé qu'il passe un courant i ou 10i. Le courant de base doit permettre la saturation du transistor pour 10i et donc lorsqu'une seule entrée est connectée le transistor est sursaturé et la rapidité de commutation va être pénalisée.
   Une technique a été étudiée par Orville Baker sur des composants discrets . Elle consiste à placer une diode au germanium entre Base et Collecteur. En effet si on sature un transistors NPN au silicium, la tension Collecteur Emetteur peut tomber à 0,1V or la tension Base Emetteur peut atteindre 0,7 voir 0,8 V il s'en suit que la tension entre base et collecteur peut être supérieure à 0,6V . En plaçant  une diode au germanium dont la tension de déchet est de 0,2 ou 0,3 volts entre base et collecteur, une partie du courant de base sera dévié vers le collecteur et ainsi la tension de collecteur sera maintenue à 0,3 ou 0,4 V donc à la limite de la saturation. 
   Intégrer une diode au germanium sur du silicium semble difficile mais une diode schottky qui est une jonction métal - semi-conducteur est on ne peut plus facile voir le croquis de droite . C'est James R Biard (photo de droite) chercheur chez Texas instruments qui breveta le "transistor clamped schottky" en 1964 (on retrouvera ce chercheur sur la fiche "LED").  Ce n'est qu'en 1970 que Texas Instruments introduira sur le marché la série 74S , 74LS puis en 1979 la série Schottky avancée 74AS et 74ALS. (voir les caractéristiques p 33 du pdf)

Le facteur de qualité , fdq, est le produit de la consommation d'une porte par son temps de propagation, plus il est petit plus la porte est performante ( en principe)

 

Numéro de la Fiche 113
Dernière mise à jour 01-03-2014