Сравнение CMOS и TTL логики - какая лучше и почему

Возможно, было бы удивительно узнать, что патент на «полевой транзистор» появился как минимум на двадцать лет раньше создания биполярного транзистора. Однако биполярные транзисторы быстрее завоевали коммерческое распространение: первый чип, изготовленный из биполярных транзисторов, появился в 1960-х годах, а технология производства МОП-транзисторов была усовершенствована в 1980-х годах и вскоре обогнала своих биполярных собратьев.

После того, как в 1947 году был изобретен точечный транзистор, дело пошло быстрыми темпами. В следующем году впервые был изобретен первый биполярный транзистор. Затем в 1958 году Джек Килби придумал первую интегральную схему, в которой на одном кристалле размещалось более одного транзистора. Одиннадцать лет спустя Аполлон-11 приземлился на Луне благодаря революционному компьютеру управления Аполлоном, который был первым в мире встроенным компьютером. Он был создан с использованием примитивных микросхем с двойным трехвходовым затвором ИЛИ, которые состояли всего из 3 транзисторов на затвор.

Это привело к появлению популярной серии логических микросхем TTL (Transistor-Transistor Logic), построенных на биполярных транзисторах. Эти чипы работали от напряжения 5 В и могли работать на частоте до 25 МГц.

Вскоре они уступили место транзисторной логике с барьером Шоттки, которая добавляла диод Шоттки к базе и коллектору для предотвращения насыщения, что значительно уменьшало хранимый заряд и уменьшало время переключения, что, в свою очередь, уменьшало задержку распространения, вызванную хранимым зарядом.

Другой серией логики на основе биполярных транзисторов была серия ECL (Emitter-coupled logic, эмиттерно-связання логика - ЭСЛ) , которая работала при отрицательном напряжении, по существу работая «назад» по сравнению со своими стандартными аналогами TTL. Логика ECL мола работать на частоте до 500 МГц.

Примерно в это же время была представлена логика CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor, по русски КМОП - комплементарная структура металл - оксид - полупроводник). В ней использовались как N-канальные, так и P-канальные устройства, отсюда и название комплементарная (complementary).

TTL против CMOS: достоинства и недостатки

Первое и самое обсуждаемое — энергопотребление — TTL потребляет больше энергии, чем CMOS.

Это верно в том смысле, что ТТЛ-вход — это всего лишь база биполярного транзистора, которому для включения требуется некоторый ток. Величина входного тока зависит от внутренней схемы и может достигать 1,6 мА. Это становится проблемой, когда множество ТТЛ-входов подключены к одному ТТЛ-выходу, который обычно представляет собой просто подтягивающий резистор или достаточно плохо управляемый транзистор верхнего плеча.

С другой стороны, КМОП-транзисторы являются полевыми, иными словами, наличия электрического поля на затворе достаточно, чтобы повлиять на проводимость полупроводникового канала. Теоретически ток не потребляется, за исключением небольшого тока утечки затвора, который часто составляет порядка пико- или наноампер. Однако это не означает, что такое же низкое потребление тока справедливо даже для более высоких скоростей. Вход КМОП-чипа имеет некоторую емкость и, следовательно, ограниченное время нарастания. Чтобы обеспечить быстрое время нарастания на высокой частоте, необходим большой ток, который может составлять 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 вместе с сигналом.

Когда дело доходит до выходов, CMOS и TTL имеют свои преимущества и недостатки. Выходы TTL представляют собой либо тотемный столб, либо подтягивающие устройства. При использовании тотемного столба выходной сигнал может колебаться только в пределах 0,5 В от линии. Однако выходные токи намного выше, чем у их аналогов КМОП. Между тем, выходы КМОП, которые можно сравнить с резисторами, управляемыми напряжением, могут выдавать выходной сигнал в пределах милливольт от шин питания в зависимости от нагрузки. Однако выходные токи ограничены, и их часто едва хватает для управления парой светодиодов.

Благодаря меньшему потреблению тока КМОП-логика очень хорошо подходит для миниатюризации: миллионы транзисторов можно упаковать на небольшой площади, при этом потребляемый ток не становится непрактично высоким.

Еще одним важным преимуществом TTL перед CMOS является его надежность. В полевых транзисторах используется тонкий слой оксида кремния между затвором и каналом, обеспечивающий изоляцию между ними. Этот оксидный слой имеет толщину несколько нанометров и имеет очень маленькое напряжение пробоя, редко превышающее 20 В даже в мощных полевых транзисторах. Это делает КМОП очень восприимчивой к электростатическому разряду и перенапряжению. Если входы остаются плавающими, они медленно накапливают заряд и вызывают ложные изменения состояния выхода, поэтому входы КМОП обычно подтягиваются вверх, вниз или заземляются. TTL по большей части не сталкивается с этой проблемой, поскольку вход представляет собой базу транзистора, который действует больше как диод и менее чувствителен к шуму из-за своего более низкого импеданса.

TTL или CMOS? Какая лучше?

В настоящее время логика CMOS практически во всех отношениях заменила TTL. Хотя чипы TTL все еще доступны, их использование не дает реальных преимуществ.

Однако входные уровни TTL в некоторой степени стандартизированы, и многие логические входы по-прежнему имеют надпись «TTL-совместимый», поэтому наличие CMOS, управляющего выходным каскадом TTL для совместимости, не является редкостью. В целом CMOS является явным победителем, когда дело касается полезности.

Семейство логики TTL использует биполярные транзисторы для выполнения логических функций, а семейство CMOS использует полевые транзисторы. CMOS обычно потребляет гораздо меньше энергии, несмотря на то, что он более чувствителен, чем TTL. CMOS и TTL на самом деле не взаимозаменяемы, а из-за наличия CMOS-чипов малой мощности использование TTL в современных конструкциях встречается редко.