Unterschied zwischen TTL- und CMOS-ICs und wie man sie auswählt

Es war 1958, als Jack Kilby von Texas Instruments den weltweit ersten Integrated Circuit (IC) Chip in der Elektronikindustrie einführte. Diese Erfindung verbreitete sich wie ein Lauffeuer, denn ICs waren zuverlässiger, kompakter und konnten im Vergleich zu den damals verwendeten konventionellen Schaltungen auch Strom sparen. Schon bald verbreitete sich diese Erfindung wie ein Lauffeuer und jedes Unternehmen begann mit der Herstellung und Anpassung von integrierten Schaltkreisen, was zu der modernen Elektronik führte, wie wir sie heute kennen. Es gibt viele Fertigungstechniken, die in der IC-Fertigung verwendet werden. Die beiden populärsten Arten sind die Transistor-Transistor-Logik (TTL), die 1963 eingeführt wurde, und die Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS), die 1968 eingeführt wurde. In diesem Artikel werden wir über diese beiden Technologien sprechen und auch darüber, wie man zwischen CMOS- und TTL-ICs basierend auf den Anforderungen des Projektdesigns wählen kann.

Was ist CMOS?

CMOS ist die Kurzform für Complementary Metal Oxide Semiconductor (komplementäre Metalloxid-Halbleiter) und ist eine Technologie zur Herstellung von ICs, die in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. CMOS ist der gebräuchlichste MOSFET-Fertigungstyp, er verwendet die komplementären und symmetrischen Paare der p- und n-Metalloxid-Feldeffekttransistoren zur Ausführung der logischen Funktionen. Die Kombination aus PMOS- und NMOS-Transistor, die in einem einzigen Gehäuse verwendet wird, ist unten dargestellt.

Viele Arten von integrierten Schaltungen werden mit der CMOS-Technologie aufgebaut, wie z. B. Mikroprozessoren, Mikrocontroller, Speicherchips und verschiedene andere digitale Logikschaltungen. In statischen analogen Schaltungen wie Datenkonvertern, Bildsensoren und Transceivern wird diese Technologie häufig eingesetzt. CMOS propagiert beide Logiken, High und Low oder die 0 und 1.

Was ist TTL?

TTL steht für Transistor-Transistor-Logik. Es ist eine Logikfamilie, die aus Bipolar-Junction-Transistoren (BJTs) besteht. Hier werden beide Funktionen (Logik und Verstärkung) von den Transistoren ausgeführt; daher wird sie auch als Transistor-Transistor-Logik bezeichnet. Ein ideales Beispiel für TTL-Logik-ICs sind Logikgatter-ICs wie das 7400 NAND oder das 7402 NOR Gate.

TTL ist die Kurzform von Transistor-Transistor-Logik. Die TTL-Logik verwendet mehrere Transistoren mit mehreren Emittern und mehreren Eingängen. Die Arten der Transistor-Transistor-Logik sind die Standard-Transistor-Transistor-Logik, die schnelle Transistor-Transistor-Logik, die Schottky-Transistor-Transistor-Logik, die Hochleistungstransistor-Transistor-Logik, die Niederleistungstransistor-Transistor-Logik und die fortgeschrittene Schottky-Transistor-Transistor-Logik.

TTL-Logikgatter bestehen aus Bipolar-Junction-Transistoren und Widerständen. Es gibt viele Varianten von TTL, die für verschiedene spezielle Zwecke entwickelt wurden, wie z.B. die strahlungsgeschützten TTL-Gehäuse für Weltraumanwendungen und Low-Power-Schottky-Dioden, die eine hervorragende Kombination aus Geschwindigkeit und geringerem Stromverbrauch bieten.

Was ist der Unterschied zwischen CMOS und TTL? Welcher ist besser?

Der Vorteil der CMOS- gegenüber den TTL-Chips ist, dass der CMOS eine höhere Dichte an Logikgattern im gleichen Material hat. TTL-Chips verbrauchen im Vergleich zu CMOS-Chips auch im Ruhezustand mehr Strom. Die Leistungsaufnahme des CMOS hängt von verschiedenen Faktoren ab und ist variabel. Die Taktrate ist einer der Hauptfaktoren für die Leistungsaufnahme. Höhere Taktwerte führen zu einer höheren Leistungsaufnahme. Beim Vergleich würde ein einzelnes Gatter im CMOS-Chip etwa 10nW Leistung verbrauchen, während ein gleichwertiges Gatter auf dem TTL-Chip etwa 10mW Leistung verbraucht. Der Unterschied ist sehr groß und deshalb werden CMOS-Chips immer den TTL-Chips vorgezogen.

Bei der Betrachtung des Designs und der Herstellung besteht kein Zweifel, dass CMOS-Chips sehr empfindlich sind und die Handhabung schwierig ist, da sie sehr anfällig für elektrostatische Entladungen sind. Schon eine winzige Menge statischer Elektrizität kann zu Schäden an den CMOS-Chips führen. Daher werden die Chips oft ungewollt beschädigt, nur weil man die Anschlüsse des CMOS berührt. Einige grundlegende Unterschiede zwischen CMOS und TTL werden im Folgenden erläutert:

1. CMOS-Bauteile sind im Allgemeinen teurer im Vergleich zu den TTL-Bauteilen. Auf Systemebene sind CMOS-Bausteine jedoch weniger teuer, da sie im Vergleich zu TTL-Bausteinen kleiner sind.
2. Bei beiden gibt es Ausbreitungsverzögerungen. Im Durchschnitt liegen die Laufzeitverzögerungen bei TTL bei 10 nS, während die Laufzeitverzögerungen bei CMOS zwischen 20 und 50 nS liegen
3. CMOS hat längere Anstiegs- und Abfallzeiten, so dass digitale Signale mit CMOS-Chips einfacher und kostengünstiger sind.
4. Es gibt einen wesentlichen Unterschied im Spannungspegelbereich für beide. Bei TTL beträgt er 4,75 V bis 5,25 V, während er bei CMOS zwischen 0 bis 1/3 VDD bei niedrigem Pegel und 2/3VDD bis VDD bei hohem Pegel liegt.
5. Die CMOS-Technologie ist wirtschaftlicher und wird im Vergleich zur TTL-Logik bevorzugt.
6. Der Strombedarf des CMOS ist gering und damit die Leistungsaufnahme begrenzt.
7. Die CMOS-Komponenten sind empfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störungen als die TTL-Komponenten
8. CMOS hat einen weiteren Vorteil gegenüber der TTL-Technologie: Es erlaubt ein geringeres Rauschen während der Übertragung
9. Die Anzahl der Standardlasten, die im Normalbetrieb an den Ausgang des Gatters angeschlossen werden können, d.h. der Fan-Out, beträgt 10 für TTL, während es 50 für CMOS sind.
10. Die Anzahl der Standardeingänge, die an das Gatter angeschlossen werden können, ist der Fan-In, der für den TTL etwa 12-14 beträgt und für den CMOS nur 10.
11. CMOS-Schaltungen haben eine bessere Rauschimmunität als die TTL-Schaltungen
12. Die grundlegenden Gatter, die in der Konstruktion der TTL verwendet werden, sind das NAND-Gatter, während die beiden NAND-NOR-Gatter in den CMOS-Schaltungen verwendet werden.

Ist CMOS eine gute Wahl gegenüber TTL-Komponenten?

Vergleicht man die TTL- und CMOS-Logikfamilien, hat CMOS mehr Vorteile gegenüber den TTL-Komponenten. Es verbraucht weniger Strom als TTL und ist auch wirtschaftlicher. Die Ausgangsleistung des CMOS ist höher und es ist auch kleiner in der Größe. Sie haben eine höhere Störfestigkeit und erlauben geringere Rauschpegel bei der Übertragung der Singles. Auch die Ausbreitungsverzögerungen sind kleiner und ermöglichen somit eine schnellere Übertragung der Signale als die TTL-Schaltungen. Bei größeren Lüftern kann die Anzahl der Lasten an den Ausgangsanschluss der CMOS-Schaltung angeschlossen werden. Allerdings sind diese empfindlich und erfordern daher Sorgfalt und Aufmerksamkeit beim Umgang mit ihnen.

Unterschied zwischen CMOS und TTL – Fazit

Um TTL und CMOS zu vergleichen, muss man die oben genannten Punkte berücksichtigen. Da CMOS aus FETs besteht und TTL-Schaltungen aus BJTs, sind CMOS-Chips viel schneller und effizienter. Es gibt eine viel höhere Dichte der Logikfunktionen in einem einzigen Chip in CMOS im Vergleich zum TTL. Außerdem ist der Stromverbrauch der TTL-Schaltungen höher als der Stromverbrauch von CMOS. Obwohl der CMOS einen geringeren Stromverbrauch hat, sind CMOS-Chips anfälliger für statische elektrische Entladungen und können daher leicht beschädigt werden. CMOS-Chips könnten die TTL-Logik haben und könnten für den Ersatz des TTL-ICs verwendet werden.