цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Сравнение логики ТТЛ и КМОП: различия, особенности, преимущества и недостатки

Сравнение логики ТТЛ и КМОП: различия, особенности, преимущества и недостатки

Автор: Mike(admin) от 12-10-2020, 07:05

Для многих было бы удивительно узнать, что патент на полевой транзистор предшествовал созданию биполярного транзистора по крайней мере на двадцать лет. Тем не менее, биполярные транзисторы быстрее завоевали рынок: первый чип, сделанный на биполярных транзисторах, появился в 1960-х годах, а технология производства полевых МОП-транзисторов (MOSFET) была усовершенствована в 1980-х годах и вскоре обогнала своих биполярных собратьев.


Сравнение логики ТТЛ и КМОП: различия, особенности, преимущества и недостатки

После того, как в 1947 году был изобретен точечный транзистор, прогресс развивался быстрее. Впервые в следующем году был изобретен первый биполярный транзистор. Затем в 1958 году Джек Килби придумал первую интегральную схему, в которой на одном кристалле было размещено более одного транзистора. Одиннадцать лет спустя Apollo 11 приземлился на Луну благодаря революционному компьютеру Apollo Guidance Computer, который был первым в мире встроенным компьютером. Он был сделан с использованием примитивных двойных трехвходовых микросхем затвора ИЛИ-НЕ, которые состояли всего из 3 транзисторов на затвор.


Это привело к появлению популярной серии логических микросхем ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), которые были созданы с использованием биполярных транзисторов. Эти микросхемы работали от 5 В и могли работать на частоте до 25 МГц. Вскоре они уступили место логике с транзистором Шоттки, которая добавляла диод Шоттки к базе и коллектору для предотвращения насыщения, что значительно уменьшало заряд накопителя и уменьшало время переключения, что, в свою очередь, уменьшало задержку распространения, вызванную зарядом накопителя.


Сравнение логики ТТЛ и КМОП: различия, особенности, преимущества и недостатки

Другой серией логики на основе биполярных транзисторов была серия ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика), которая работала на отрицательных напряжениях, по существу, работая «в обратном смещении» по сравнению со своими стандартными аналогами ТТЛ. Логика ЭСЛ могла работать при частотах до 500 МГц.


Примерно в это же время была представлена логика КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник). В ней использовались как N-канальные, так и P-канальные транзисторы, отсюда и название, комплиментарная.


Сравнение логики ТТЛ и КМОП: различия, особенности, преимущества и недостатки

В чем же разница между ТТЛ и КМОП логикой? Первый и наиболее обсуждаемый аспект – это энергопотребление. ТТЛ потребляет больше энергии, чем КМОП. Это верно в том смысле, что вход ТТЛ – это просто база биполярного транзистора, которому требуется ток для его включения. Величина входного тока зависит от внутренней схемы и достигает 1,6 мА. Это становится проблемой, когда многие входы ТТЛ подключены к одному выходу ТТЛ, который обычно представляет собой просто подтягивающий резистор или довольно плохо управляемый транзистор верхнего плеча.


С другой стороны, КМОП-транзисторы являются полевыми, другими словами, наличия электрического поля на затворе достаточно, чтобы повлиять на полупроводниковый канал в плане проводимости. Теоретически ток не потребляется, за исключением небольшого тока утечки затвора, который часто бывает порядка пико- или наноампер. Однако это не означает, что такое же низкое потребление тока справедливо даже для более высоких скоростей. Вход КМОП-микросхемы имеет некоторую емкость и, следовательно, конечное время нарастания. Чтобы гарантировать быстрое нарастание на высокой частоте, необходим большой ток, который может быть порядка нескольких ампер на частотах МГц или ГГц. Этот ток потребляется только тогда, когда вход должен изменить состояние, в отличие от TTL, где ток смещения должен присутствовать с сигналом.


Что касается выходов, то у КМОП и ТТЛ есть свои преимущества и недостатки. Выходы ТТЛ являются либо двухтактными, либо подтягивающими. С двухтактной структурой выход может быть только в пределах 0,5 В. Однако выходные токи намного выше, чем у их аналогов КМОП. Между тем, выходы КМОП, которые можно сравнить с резисторами, управляемыми напряжением, могут выдавать в милливольтах от шин питания в зависимости от нагрузки. Однако выходные токи ограничены, зачастую их едва хватает для питания пары светодиодов. Благодаря меньшим требованиям к току, логика КМОП очень хорошо поддается миниатюризации, поскольку миллионы транзисторов могут быть размещены на небольшой площади, при этом требования к току не будут непрактично высокими.


Сравнение логики ТТЛ и КМОП: различия, особенности, преимущества и недостатки

Одним важным преимуществом ТТЛ перед КМОП является надежность. Для полевых транзисторов используется тонкий слой оксида кремния между затвором и каналом, обеспечивающий изоляцию между ними. Этот оксидный слой имеет нанометровую толщину и очень низкое напряжение пробоя, редко превышающее 20 В даже в полевых транзисторах большой мощности. Это делает КМОП очень чувствительной к электростатическому разряду и перенапряжению. Если входы остаются плавающими, они медленно накапливают заряд и вызывают ложные изменения состояния выхода, поэтому входы КМОП обычно подтягиваются к питанию или заземляются. ТТЛ не страдает этой проблемой по большей части, поскольку вход представляет собой базу транзистора, которая действует больше как диод и менее чувствительна к шуму из-за своего более низкого импеданса.


И что же в итоге лучше – ТТЛ или КМОП? Нужно посмотреть на текущую электронную промышленность. Логика КМОП заменила ТТЛ почти во всех отношениях. Хотя микросхемы на основе ТТЛ все еще доступны, реальных преимуществ в их использовании уже нет.


Однако входные уровни ТТЛ в некоторой степени стандартизированы, и про многие логические входы по-прежнему говорят, что они «TTL-совместимые», поэтому наличие КМОП, управляющего выходным каскадом ТТЛ для обеспечения совместимости, не является редкостью. В целом КМОП – явный победитель, когда дело доходит до оценки преимуществ и пользы.


В семействе логики ТТЛ используются биполярные транзисторы для выполнения логических функций, а в КМОП используются полевые транзисторы. Логика КМОП обычно потребляет гораздо меньше энергии, несмотря на то, что она более чувствительна, чем ТТЛ. КМОП и ТТЛ на самом деле не взаимозаменяемы, и при наличии маломощных КМОП-чипов использование ТТЛ в современных конструкциях встречается редко.




© digitrode.ru


Теги: логика




Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий