ТТЛ-логика и КМОП-логика

С момента изобретения транзистора и появления электронной промышленности ученые и инженеры столкнулись с необходимостью разработки и производства компактных схем в одном корпусе. Результатом такой работы стало практически одновременное (в 1960-х годах) появление нескольких технологий создания микросхем, но в целом они свелись только к двум технологиям производства транзисторов в то время:

1. Транзисторно-транзисторная логика (сокращенно ТТЛ или TTL по-английски) — технология построения электронных схем на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный появилось по причине того, что транзисторы использовались одновременно для выполнения логических функций (И, НЕ, ИЛИ) и для усиления выходного сигнала.

2. Логика, основанная на комплементарной структуре металл-оксид-полупроводник (сокращенно КМОП или по-английски CMOS - complementary metal-oxide-semiconductor). Указанная структура КМОП представляет собой наборы полевых транзисторов.

Эти две технологии существуют и по сей день. Каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками. Однако благодаря непрерывному совершенствованию на протяжении более чем полувека многие недостатки были существенно уменьшены (например появились микросхемы с быстродействующей КМОП). Но по-прежнему в зависимости от задач, которые решаются с помощью микросхем, наилучшим образом подходит либо ТТЛ, либо КМОП микросхемы. Ниже в таблицу сведены их характеристики, которые указывают на сильные и слабые стороны этих технологий.

Характеристика	ТТЛ	КМОП	Быстродействующий КМОП
Название	Транзисторно-транзисторная логика	Комплементарный металл-оксид полупроводник	Быстродействующий комплементарный металл-оксид полупроводник
Серия зарубежных микросхем	• 74xx — старое оригинальное поколение • 74Sxx — более высокоскоростная серия с диодами Шоттки (Schottky) • 74LSxx — серия с диодами Шоттки (Schottky), потребляющая малую мощность • 74ALSxx — продвинутая серия с диодами Шоттки (Schottky) с низким потреблением мощности • 74Fxx — более быстрая серия, чем серия 74ALSхх.	• 40xx — старое оригинальное поколение • 40xxB — серия 4000B была улучшена, но также чувствительна к  статическому электричеству.	• 74HCxx — высокоскоростные КМОП- микросхемы с номерами, соответствующими семейству ТТЛ. Назначение выходов также совпадает с аналогичными выходами микросхем ТТЛ, однако входные и выходные напряжения не совпадают с та- кими же напряжениями ТТЛ- микросхем • 74HCTxx — аналогична предыдущей серии 74HCхх, но адаптирована для совместного использования с микросхемами семейства ТТЛ по напряжению  74ACxx — продвинутая версия серии 74HCхх, она быстрее и обладает большей выходной мощностью • 74ACTxx — аналогична предыдущей серии 74ACхх, но адаптирована для совместного использования с микросхемами семейства ТТЛ. • 74AHCxx — продвинутая высокоскоростная серия КМОП • 74AHCTxx — аналогична предыдущей серии 74AНCхх, но адаптирована для совместного использования с микросхемами семейства ТТЛ
Серия отечественных микросхем	К155 К131	К561 К176	КР1554 КР1564
Быстродействие	Высокое	Низкое	Высокое
Напряжение питания, В	5±0,5	3...15	2...6
Потребляемый ток (без нагрузки), мА	20	0,002 - 0,1	0,002 - 0,1
Уровень напряжения для логического 0, В	0,5	0,05	0,5 - 1,8
Уровень напряжения для логической 1, В	2,4	Приблизительно равно напряжению питания	Приблизительно равно напряжению питания
Чувствительность к статическому электричеству	Низкая	Высокая	Средняя

 

Обобщим приведенные в таблице данные.

Микросхемы на основе ТТЛ.
Преимущества:
1. Высокое быстродействие (десятки мегагерц).
2. Относительно низкая чувствительность к воздействию статических зарядов.
Недостатки:
1. Высокое энергопотребление и большое падение напряжения на выходах микросхемы (при логической 1 на выходах напряжение существенно ниже напряжения питания).
2. Высокие требования к напряжению питания (отклонение не более 0,5 В от номинального).
3. Низкая помехоустойчивость из-за низкого порога срабатывания логического элемента.
Сфера применения:
Благодаря своему очень высокому быстродействию микросхемы на основе ТТЛ получили широкое распространение в компьютерах и различных вычислительных системах, в основном стационарных, где нет острого вопроса по энергопотреблению. Кроме этого, применяются они в электронных музыкальных инструментах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и автоматике. Однако при их использовании всегда необходимо уделять особое внимание стабилизации питания, иначе микросхема либо не будет работать, либо сгорит от даже незначительного превышения напряжения питания. По этой же причине всегда следует принимать усилия по согласованию уровней напряжения, если планируется использование ТТЛ-микросхем совместно с другим типом микросхем. При работе с ТТЛ-микросхемами не забывайте подтягивать неиспользуемые входы к «земле» или «питанию» (в зависимости от того, что надо получить от микросхемы). Данная мера необходима в связи с низкой помехоустойчивостью.

Микросхемы на основе КМОП.
Преимущества:
1. Низкие требования к питанию. Микросхемы стабильно работают при широком диапазоне питающих напряжений. В последних поколениях диапазон сузился, но все равно остается широким по сравнению с ТТЛ-микросхемами.
2. Низкое энергопотребление, которое делает их идеальными для мобильных устройств (в статическом состоянии почти не потребляет энергии).
3. На выходах логическая 1 близка к напряжению питания, а логический ноль близок к «земле».
4. Порог переключения логических элементов низок и составляет половину напряжения питания, что вместе с п.3 упрощает работу с цифровой логической обработкой сигналов и почти не требует их усиления. 
5. Высокая помехоустойчивость благодаря широким допускам напряжения как при логическом 0, так и при логической 1.
Недостатки:
1. Относительно высокая чувствительность к воздействию статических зарядов. Микросхемы первых поколений очень сильно боялись статического напряжения и легко выходили из строя от неаккуратного обращения. Микросхемы последнего поколения стали более устойчивыми, но все равно требуют антистатических мер предосторожности. 
2. Менее высокое быстродействие, чем у ТТЛ-микросхем — особенно у микросхем первых поколений. Несмотря на то, что современные КМОП-микросхемы по быстродействию значительно улучшили свои позиции, они все  равно уступают по этому параметру микросхемам семейства ТТЛ.
3. Быстродействие сильно зависит от напряжения питания. На низких напряжениях 2-3 вольта быстродействие уменьшается в несколько раз по сравнению с напряжением питания 6 В.
4. Высокоомность входов микросхем. Во избежание наводок или воздействия статического электричества необходимо неиспользуемые входы подключать к «земле» или питанию в зависимости от сигнала, требуемого по умолчанию.

Сфера применения.

Изначально КМОП-микросхемы выполняли функцию энергосберегающей, но медленной альтернативы ТТЛ-микросхемам. Поэтому они КМОП нашли применение прежде всего там, где требовалась продолжительная автономная работа, но была не сильно важна производительность: в электронных часах, калькуляторах и других устройствах с питанием от батареек. 

Однако по мере развития вычислительных систем и наращивания их производительности, в том числе с помощью увеличения плотности электронных компонентов в микросхеме, встала проблема рассеивания энергии на элементах. Поэтому технология КМОП стала оказываться в выигрышном положении по сравнению с ТТЛ. В итоге продолжительной работы по совершенствованию технологии КМОП были достигнуты результаты по скорости переключения и плотности монтажа, превосходящие решения на биполярных транзисторах. Поэтому в настоящее время КМОП-микросхемы обладают высокой популярностью для решения самых разных задач. 
Тем не менее, несмотря на значительный прогресс КМОП-микросхем, все равно следует соблюдать осторожность и принимать меры по нейтрализации исконных недостатков, например, чувствительности к электростатическим зарядам.

Написать отзыв

Ваше Имя:


Ваш отзыв: Внимание: HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.

Оценка: Плохо           Хорошо

Введите код, указанный на картинке: