W 1958 roku Jack Kilby z Texas Instruments, wprowadził pierwszy na świecie układ scalony (IC) do przemysłu elektronicznego. Ten wynalazek rozprzestrzeniał się jak szalony ogień, ponieważ układy scalone były bardziej niezawodne, kompaktowe i mogły również oszczędzać energię w porównaniu do konwencjonalnych obwodów używanych wtedy. Wkrótce to rozprzestrzeniło się jak szalony ogień i każda firma zaczęła produkować i dostosowywać układy scalone, co doprowadziło do powstania nowoczesnej elektroniki, jaką znamy dzisiaj. Istnieje wiele technik wytwarzania używanych w produkcji układów scalonych, dwa najpopularniejsze typy to tranzystorowy układ logiczny (TTL), który został wprowadzony w 1963 roku i półprzewodnikowy układ komplementarny z tlenków metali (CMOS), który został wprowadzony w 1968 roku. W tym artykule omówimy te dwie technologie, a także jak wybrać pomiędzy CMOS i TTL IC w oparciu o wymagania projektu.
Co to jest CMOS?
CMOS jest skróconą formą dla Complementary Metal Oxide Semiconductor i jest to technologia do produkcji układów scalonych, które są używane w różnych aplikacjach. CMOS jest najczęstszym typem produkcji MOSFET, wykorzystuje komplementarne i symetryczne pary tranzystorów typu p i n na bazie tlenku metalu do wykonywania funkcji logicznych. Poniżej przedstawiono kombinację tranzystorów PMOS i NMOS wykorzystanych w pojedynczym pakiecie.
Różne typy układów scalonych są konstruowane przy użyciu technologii CMOS, takie jak mikroprocesory, mikrokontrolery, układy pamięci i kilka innych cyfrowych układów logicznych. W statycznych obwodach analogowych, takich jak konwertery danych, czujniki obrazu i transceivery, technologia ta jest szeroko stosowana. CMOS propaguje obie logiki, wysoką i niską lub 0 i 1.
Co to jest TTL?
TTL oznacza Transistor-transistor Logic. Jest to rodzina układów logicznych składająca się z tranzystorów bipolarnych (BJT). W tym przypadku obie funkcje (logiczna i wzmacniająca) są wykonywane przez tranzystory; dlatego też jest to nazywane logiką tranzystorowo-tranzystorową (Transistor-Transistor Logic). Idealnym przykładem układu scalonego z logiką TTL byłyby układy scalone z bramką logiczną, takie jak 7400 NAND lub 7402 NOR Gate.
TTL jest krótką formą logiki tranzystorowo-tranzystorowej. Logika TTL wykorzystuje wiele tranzystorów posiadających wiele emiterów i wiele wejść. Rodzaje logiki tranzystorowo-tranzystorowej to: standardowa logika tranzystorowo-tranzystorowa, szybka logika tranzystorowo-tranzystorowa, logika tranzystorowo-tranzystorowa Schottky’ego, logika tranzystorowo-tranzystorowa dużej mocy, logika tranzystorowo-tranzystorowa małej mocy i zaawansowana logika tranzystorowo-tranzystorowa Schottky’ego.
Bramy logiczne TTL składają się z tranzystorów o złączu bipolarnym i rezystorów. Istnieje wiele wariantów TTL opracowanych dla różnych szczególnych celów, takich jak odporne na promieniowanie pakiety TTL dla zastosowań kosmicznych i diody Schottky’ego o niskiej mocy, które mogą zapewnić doskonałą kombinację prędkości i mniejszego zużycia energii.
Jaka jest różnica między CMOS i TTL? Który z nich jest lepszy?
Przewaga CMOS nad układami TTL polega na tym, że CMOS ma większą gęstość bramek logicznych w tym samym materiale. Układy TTL zużywają więcej energii w porównaniu do mocy zużywanej przez układy CMOS nawet w stanie spoczynku. Zużycie energii przez układy CMOS zależy od różnych czynników i jest zmienne. Częstotliwość taktowania jest jednym z głównych czynników wpływających na zużycie energii. Wyższe wartości taktowania będą skutkowały wyższym zużyciem energii. Dokonując porównań, pojedyncza bramka w układzie CMOS będzie zużywać 10nW mocy, podczas gdy równoważna bramka na układzie TTL będzie zużywać około 10mW mocy. Różnica jest znacząco wysoka i dlatego CMOS chipy są zawsze preferowane nad TTL chipy.
Gdy projekt i produkcja są uważane, nie ma wątpliwości, że CMOS chipy są bardzo delikatne i trudno jest obsługiwać, ponieważ są one bardzo podatne na wyładowania elektrostatyczne. Bardzo mała ilość elektryczności statycznej może spowodować uszkodzenie chipów CMOS. Dlatego ludzie często nieświadomie uszkadzają swoje układy tylko poprzez dotykanie końcówek CMOS. Niektóre podstawowe różnice między CMOS i TTL są wyjaśnione poniżej:
- Komponenty CMOS są generalnie droższe w porównaniu do komponentów TTL. Ale na poziomie systemu, CMOS chipy są mniej kosztowne, ponieważ są one mniejsze w wielkości w porównaniu do chipów TTL.
- Opóźnienia propagacyjne są obecne w obu. Średnio, opóźnienia propagacji TTL są zwykle 10nS, podczas gdy opóźnienia propagacji CMOS leży między 20 a 50 nS
- CMOS ma dłuższe czasy narastania i opadania, więc sygnały cyfrowe są prostsze i tańsze z chipami CMOS.
- Jest znaczna różnica w zakresie poziomu napięcia dla obu. Dla TTL jest to 4,75 V do 5,25 V, podczas gdy dla CMOS waha się od 0 do 1/3 VDD na niskim poziomie i 2/3VDD do VDD na wysokich poziomach.
- Technologia CMOS jest bardziej ekonomiczna i preferowana bardziej w porównaniu do logiki TTL.
- Wymagania prądowe CMOS są niskie, a tym samym zużycie energii jest ograniczone. Dlatego łatwiej jest dla obwodów, które mają być zaprojektowane z najlepszego zarządzania energią.
- Zakłócenia elektromagnetyczne komponenty CMOS są bardziej wrażliwe w porównaniu do komponentów TTL
- CMOS ma jeszcze jedną zaletę nad TTL, że pozwolił niższy hałas podczas transmisji
- Liczba standardowych obciążeń, które mogą być podłączone do wyjścia bramy w normalnej pracy, która jest fan-out jest 10 dla TTL natomiast jest 50 dla CMOS.
- Liczba standardowych wejść, które mogą być podłączone do bramki to fan in, która wynosi około 12-14 dla TTL, a dla CMOS tylko 10.
- Obwody CMOS mają lepszą odporność na zakłócenia niż obwody TTL
- Podstawowymi bramkami, które są używane w konstrukcji TTL są bramki NAND whiles zarówno bramki NAND-NOR są używane w obwodach CMOS.
Czy CMOS jest dobrym wyborem w stosunku do komponentu TTL?
Porównując rodziny logiczne TTL i CMOS, CMOS ma więcej zalet niż komponenty TTL. Zużywa mniej energii niż TTL i jest bardziej ekonomiczny. Moc wyjściowa CMOS jest wyższa i jest mniejszy w rozmiarze, jak również. Z wyższą odpornością na hałas, pozwalają one niższe poziomy hałasu do przekazania podczas transmisji singli. Również opóźnienia propagacji są mniejsze, a tym samym zapewniają szybszą transmisję sygnałów, że obwody TTL. Z większym wentylatorem przewyższają liczbę ładunków mogą być podłączone na zacisku wyjściowym obwodu CMOS. Chociaż są one delikatne i dlatego wymagają opieki i uwagi podczas obsługi nich.
Różnica między CMOS i TTL – Wnioski
Aby porównać TTL i CMOS, trzeba myśleć o punktach wymienionych powyżej. Ponieważ CMOS składa się z FET’ów, a układy TTL składają się z BJT, układy CMOS są znacznie szybsze i wydajniejsze. Istnieje znacznie większa gęstość funkcji logicznych w jednym chipie w CMOS w porównaniu do TTL. Również zużycie energii przez układy TTL jest wyższe w porównaniu do zużycia energii przez CMOS. Chociaż CMOS ma mniejszy pobór mocy, chipy CMOS są bardziej podatne na statyczne wyładowania elektryczne, a zatem mogą być łatwo uszkodzone. Chipy CMOS mogą mieć logikę TTL i mogą być używane do wymiany TTL IC.