Porovnanie medzi CMOS a TTL logikou

čo je lepšie a prečo?
Porovnanie medzi CMOS a TTL logikou
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  555 zobrazení
4
 0
Rádioamatérov almanach

Možno by bolo prekvapujúce vedieť, že patent na "tranzistor riadený poľom" predišiel vytvoreniu bipolárneho tranzistora najmenej o dvadsať rokov. Bipolárne tranzistory sa však komerčne rýchlejšie uchytili a prvý čip vyrobený z bipolárnych tranzistorov sa objavil v 60. rokoch. Technológia výroby MOSFET sa zdokonalila v 80. rokoch a čoskoro predbehla svojich bipolárnych bratrancov.

Po vynájdení bodového kontaktného tranzistora v roku 1947 sa veci začali pomerne rýchlo hýbať. Prvýkrát prišiel vynález prvého bipolárneho tranzistora v nasledujúcom roku. V roku 1958 potom Jack Kilby prišiel s prvým integrovaným obvodom, keď umiestnil viac ako jeden tranzistor na rovnakú matricu. O jedenásť rokov neskôr pristálo Apollo 11 na Mesiaci vďaka revolučnému počítaču Apollo Guidance Computer, ktorý bol prvým zabudovaným počítačom na svete. Bol vyrobený pomocou primitívnych duálnych integrovaných obvodov brány NOR s tromi vstupmi, ktoré pozostávali iba z 3 tranzistorov na bránu.

Tak vznikla populárna séria logických čipov TTL (Transistor-Transistor Logic), ktoré boli skonštruované pomocou bipolárnych tranzistorov. Tieto čipy používali pre napájanie 5 V a mohli bežať rýchlosťou až 25 MHz.

Tieto čoskoro ustúpili tranzistorovej logike s upnutým Schottkym prúdom, ktorá pridala Schottkyho diódu cez základňu a kolektor, aby sa zabránilo saturácii, čo výrazne znížilo nabíjací náboj a znížilo spínacie časy, čo zase znížilo oneskorenie šírenia spôsobené nabíjacím nábojom.

Ďalšou sériou logiky založenej na bipolárnych tranzistoroch bola séria ECL (Emitter Coupled Logic), ktorá bežala na záporné napätie, v podstate fungovala "spätne" v porovnaní so svojimi štandardnými náprotivkami TTL, ktorú mohla ECL dosiahnuť až 500 MHz.

Zhruba v tomto čase bola predstavená logika CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Používalo zariadenia N-kanála aj P-kanály, preto sa názov dopĺňal.

TTL vs CMOS: Výhody a nevýhody

Prvá a najviac omieľaná vec je spotreba energie - TTL spotrebuje viac energie ako CMOS.

To platí v tom zmysle, že vstup TTL je iba základňou bipolárneho tranzistora, ktorý na jeho zapnutie potrebuje určitý prúd. Veľkosť vstupného prúdu závisí od obvodov vo vnútri, klesajúcich až k 1,6 mA. To sa stáva problémom, keď je veľa vstupov TTL pripojených k jednému výstupu TTL, ktorým je zvyčajne iba pullup odpor alebo dosť zle riadený tranzistor na vysokej úrovni.

Na druhej strane sú tranzistory CMOS s elektricky riadeným poľom, inými slovami, prítomnosť elektrického poľa v bráne stačí na ovplyvnenie vedenia polovodičového kanálu. Teoreticky nie je odoberaný žiadny prúd, s výnimkou malého zvodového prúdu hradla, ktorý je často rádovo piko alebo nanoampér. To však neznamená, že rovnaká nízka spotreba prúdu platí aj pre vyššie frekvencie. Vstup čipu CMOS má určitú kapacitu, a teda konečnú dobu nábehu. Aby sa zabezpečilo, že doba nábehu je pri vysokej frekvencii rýchla, je potrebný veľký prúd, ktorý môže byť rádovo niekoľko krát zosilnený pri frekvenciách MHz alebo GHz. Tento prúd sa spotrebuje iba vtedy, keď musí vstup zmeniť svoj stav, na rozdiel od TTL, kde musí byť so signálom prítomný predpätý prúd.

Pokiaľ ide o výstupy, CMOS a TTL majú svoje vlastné výhody a nevýhody. Výstupy TTL sú buď totemové póly, alebo pullupy. S totemovým pólom môže výstup kolísať iba do 0,5 V od normálu. Avšak výstupné prúdy sú oveľa vyššie ako ich náprotivky CMOS. Medzitým môžu byť výstupy CMOS, ktoré je možné porovnávať s rezistormi riadenými napätím, výstupné v milivoltoch napájacích líšt v závislosti od zaťaženia. Avšak výstupné prúdy sú obmedzené, často stačia len na to, aby poháňali niekoľko LED diód.

Vďaka svojim menším súčasným požiadavkám sa logika CMOS veľmi dobre hodí na miniaturizáciu, pričom milióny tranzistorov je možné zabaliť na malú oblasť bez toho, aby boli súčasné požiadavky neprakticky vysoké.

Ďalšou dôležitou výhodou, ktorú má TTL oproti CMOS, je jej robustnosť. Tranzistory s efektom poľa závisia od tenkej vrstvy oxidu kremičitého medzi hradlom a kanálom, aby medzi nimi bola zaistená izolácia. Táto oxidová vrstva je hrubá niekoľko nanometrov a má veľmi malé prierazné napätie, ktoré zriedka presahuje 20 V aj pri vysokovýkonných FET. Vďaka tomu je CMOS veľmi citlivý na elektrostatický výboj a prepätie. Ak vstupy zostanú "plávať", pomaly akumulujú náboj čo spôsobujú rušivé zmeny stavu výstupu, čo je dôvod, prečo sú vstupy CMOS zvyčajne ťahané nahor, nadol alebo uzemnené. TTL na tento problém z väčšej časti netrpí, pretože vstupom je tranzistorová základňa, ktorá sa chová viac ako dióda a je menej citlivá na šum kvôli svojej nižšej impedancii.

TTL ALEBO CMOS? Čo je lepšie?

Logika CMOS nahradila TTL takmer vo všetkých smeroch. Aj keď sú TTL čipy stále k dispozícii, ich použitie nemá skutočnú výhodu. Avšak vstupné úrovne TTL sú trochu štandardizované a o mnohých logických vstupov sa stále hovorí ako "TTL kompatibilné", takže mať CMOS riadiaci výstupný stupeň TTL kvôli kompatibilite nie je nič neobvyklé. Celkovo je CMOS jasným víťazom, čo sa týka užitočnosti.

Logická rodina TTL používa na vykonávanie logických funkcií bipolárne tranzistory a CMOS využíva tranzistory riadené poľom. CMOS všeobecne spotrebúva oveľa menej energie, napriek tomu, že je citlivejší ako TTL. CMOS a TTL nie sú skutočne zameniteľné a s dostupnosťou nízkoenergetických čipov CMOS je použitie TTL v moderných dizajnoch zriedkavé.

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo
PCBWay Promo
PCBWay Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Minalox.sk Promo
Webwiki Button