راز ۵ ولت: استانداردی که از TTL تا USB ادامه دارد

اگر از علاقمندان به مدارهای دیجیتال باشید احتمالاً عدد 5 ولت برایتان آشناست. ولتاژی که سال‌هاست به‌عنوان یک استاندارد در منطق TTL باقی مانده است. اما آیا تا به حال از خودتان پرسیده‌اید چرا دقیقاً پنج ولت؟ چرا این عدد و چه منطقی پشت آن است؟ در ادامه با پاسخ این سوالات همراه ما باشید.

یکی از نویسندگان وب‌سایت HackaDay در این مورد می‌گوید همیشه با منطق TTL و منبع تغذیه 5 ولتی مشکل داشته است. بازه‌ی باریکی 4.75 تا 5.25 ولت برای کارکرد دست مدار، کار پیدا کردن منبع تغذیه‌ی مناسب را سخت می‌کرد.

این نویسنده می‌گوید که حتی اگر چهار باتری 1.5 ولتی را با یک دیود در مدار قرار می‌داد، باز هم خروجی پایدار نبود و باعث اتمام زودهنگام باتری‌ها می‌شد. این موضوع باعث شد تا به دلیل مهندسی پشت آن پی‌ببرد.

به گفته این نویسنده، حتی ChatGPT در پاسخ به این سوال، نتوانست مدرک یا دلیل قانع کننده‌ای ارائه کند و اکثر پاسخ‌ها آن دارای منطق دایره‌ای بودند. برای مثال این چت‌بات پاسخی مانند: «چون IBM و شرکت‌های بزرگ از ۵ ولت استفاده کردند، دیگران هم همین کار را کردند.» یا اینکه «Texas Instruments در سال ۱۹۶۴ برای تراشه‌های TTL خود ۵ ولت را انتخاب کرد و این انتخاب به مرور به استاندارد صنعت تبدیل شد.» را می‌داد.

اما همین موضوع باعث شد تا وی سرنخ واقعی را پیدا کند: ویژگی‌های ترانزیستورهای BJT و موازنه‌ی میان توان و سرعت.

در واقع پاسخ سوال، در این موضوع نهفته بود که خانواده‌ی TTL که از سال 1960 ابداع شد، کاملاً بر اساس ترانزیستورهای دو قطبی بنا شده بود و نه MOSFETهای امروزی. از آن‌جا که هر ترانزیستور دارای افت ولتاژ حدوداً 0.7 ولت میان پایه‌ی بیس و امیتر داشت، مدار باید اختلاف کافی بین منطق 1 و صفر داشته باشد تا نویز باعث خطا نشود.

اینجاست که ولتاژ 5 ولت وارد می‌شود، چرا که ولتاژ 5 ولت دقیقاً همین نقطه‌ی تعادلی بود که هم سیگنال‌ها از هم متمایز می‌ماندند، هم مصرف توان و حرارت در سطح قابل‌قبولی قرار می‌گرفتند.

نگاهی به ابداع اولیه TTL

جیمز بویی، مخترع TTL، در ثبت اختراع سال 1961 هیچ اشاره‌ای به عدد 5 ولت نکرده بود و در توضیحاتش فقط از عبارت‌های کلی مانند +B و -B استفاده کرده و حداقل ولتاژ لازم را حدود ۲.۲ ولت محاسبه کرده بود.

تنها اشاره‌ی بویی این بود که ولتاژ تغذیه باید از مجموع ولتاژ روشن شدن ترانزیستورهای ورودی و خروجی بیشتر باشد. بنابراین، ۵ ولت در هیچ سند رسمی اولیه به عنوان مقدار قطعی ذکر نشده است.

میراث دوران لامپ‌های خلأ؟

این نویسنده در بخش پایانی، گمانه‌زنی جالبی مطرح کرده است. به گفته وی شاید ریشه‌ی انتخاب ۵ ولت به دوران لامپ‌های خلأ برگردد.

در آن دوران، مدار گرم‌کن لامپ‌ها معمولاً ۶.۳ ولت بود، عددی که از سیستم‌های برقی ۶ ولتی خودروها با سه سلول سرب–اسیدی با ولتاژ نامی ۲.۱ ولت بود گرفته شده بود. اما در بعضی دستگاه‌ها مانند آمپلی‌فایرهای گیتار Fender Champ، از لامپ‌هایی با گرم‌کن ۵ ولتی استفاده می‌شد که از ترانسفورماتور منبع خود، خروجی اختصاصی ۵ ولت AC می‌گرفتند.

به گفته وی، شاید همین الگو در ذهن مهندسان اوایل دهه‌ی ۶۰ جرقه‌ای زده باشد تا ولتاژ ۵ ولت را به عنوان سطحی آشنا و ایمن انتخاب کنند.

منطق، عادت یا تصادف؟

در نهایت باید گفت که هیچ پاسخی قطعی نیست، شاید عدد 5 ولت حاصل یک تحلیل دقیق مهندسی بوده، شاید هم فقط میراثی از دوران پیش از نیمه‌هادی‌ها.

به هر حال 5 ولت به یکی از ماندگارترین استانداردهای تاریخ الکترونیک تبدیل شده، عددی که از لامپ‌های خلأ تا پورت‌های USB کنونی، راه طولانی را طی کرده است.