Логические ИС ТТЛ и КМОП: строительные блоки революции

May 03, 2023

Сегодня, начиная новый проект в области электроники, первое, что мы обычно делаем, — это выбираем интегральные схемы, составляющие основу проекта. Это может быть что угодно: от микроконтроллера и различных микросхем контроллера до множества полевых МОП-транзисторов, операционных усилителей и, возможно, некоторых логических микросхем серии 7400 или 4000, чтобы связать все вместе. Однако совсем недавно этот уровень высокой интеграции и миниатюризации прочно стал частью научной фантастики, и даже модули NORBIT казались футуристическими.

Начиная с создания первого точечного транзистора в 1947 году и биполярного переходного транзистора (BJT) в 1948 году в Bell Labs, мир электроники вскоре увидел начало своей самой большой трансформации к этому моменту. Тем не менее, из-за интересных геополитических обстоятельств 20-го века это привело к захватывающей ситуации параллельного развития, вопиющего копирования проектов и одной из самых захватывающих историй в истории технологий по обе стороны железного занавеса.

После изобретения транзистора, конечно, было непросто просто поместить несколько транзисторов на кремниевый кристалл, чтобы создать логические элементы, поместить их в пластиковый (или керамический) корпус и захватить мир цифровой электроники.

Первым жизнеспособным подходом к созданию логических элементов на транзисторах в начале 1960-х годов была резисторно-транзисторная логика (RTL), которая ограничивала количество необходимых транзисторов. В то время резисторы были дешевле, а транзисторы все еще было сложно производить. Этот подход использовался с управляющим компьютером Apollo, который был построен с использованием дискретных вентилей NOR на основе RTL с 3 входами.

Конкурирующая технология диодно-транзисторной логики (DTL) имела преимущества, заключающиеся в использовании меньшего количества энергии и обеспечении значительно большего разветвления (количества поддерживаемых входов в схеме), а также в относительно легком увеличении разветвления (количества выходов) за счет использования дополнительных диодов и транзисторов. Недостатком DTL было то, что задержка распространения по цепи была относительно большой из-за заряда, хранящегося в области базы транзисторов.

Это привело к ряду попыток решить проблему насыщения, включая добавление конденсатора, ограничителя Бейкера и транзистора Шоттки. В начале 1960-х годов были выпущены логические микросхемы на основе DTL: серия SE100 компании Signetics, а затем компания Fairchild с серией DTμL (микрологическая) серии 930. Следом за DTL была транзисторно-транзисторная логика (TTL), которая очень похожа на DTL, но, как следует из названия, использует только транзисторы.

Первыми коммерчески производимыми микрологическими микросхемами TTL были Sylvania Universal High-Logic Level (SUHL) и последовавшая за ними серия SUHL II. Компания Texas Instruments (TI) представила серию 5400 TTL для военного применения в 1964 году, а два года спустя была представлена ​​серия 7400 для общего применения.

Параллельно с этим, логика с эмиттерной связью (ECL) также имела постоянный успех в 1980-х годах. Основное преимущество ECL перед такими подходами, как RTL и DTL, а также TTL, заключается в том, что ECL работает очень быстро из-за его следования за эмиттером и использования одного биполярного переходного транзистора с перегрузкой (BJT). Конструкция такова, что ни один из используемых транзисторов никогда не находится в состоянии насыщения, а колебания напряжения между высоким и низким уровнями (0,8 В) небольшие, что обеспечивает относительно быстрое время переключения.

Хотя ECL имеет недостатки, заключающиеся в необходимости относительно сложных источников питания с низким уровнем шума и постоянного тока, его высокая скорость переключения сделала его очевидным выбором для мейнфреймов и других приложений, где скорость была наиболее важным фактором. Сюда входил суперкомпьютер Cray-1, а также ряд мэйнфреймов IBM и VAX.

Это контрастирует с разработкой MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), основные принципы работы которого были предложены уже в 1926 году, но подготовка к коммерциализации заняла гораздо больше времени, чем BJT, хотя MOSFET предлагают значительные преимущества в размерах и масштабировании по сравнению с ними. Тем не менее, когда в конце 1960-х годов МОП-технология стала готова к массовому производству, она вызвала небольшую революцию, которая позволила создать не только все еще распространенные логические КМОП-чипы серии 4000 (представленные RCA в 1968 году), но и микропроцессоры, которые будут питать дом. компьютерная революция 1970-х годов.