Dijital Mantık Ailelerinin Evrimi: Ttl, Cmos ve Ecl Açıklandı

Dijital Mantık Ailelerine Giriş

Dijital mantık aileleri temel mantık kapıları uygulayan entegre devreler standart gruplardır (AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR) hız ve işletim özellikleri arasında ortak bir devre üst düzeye çıkarmaktadır. Bu aileler, tedarik gerilimi, mantık seviyelerini, gürültü marjlarını, yayılımı geciktirme, güç dağılımı ve fan-transist mantık tasarımlarında dijital elektroniklerin gelişinden beri, üç boyutlu dijital elektronik tasarıma sahip olan mikro-gerçekten fazla mantıkla, elektrik tüketimi, üretim maliyeti ve gürültüyü inceler.

Transistor-Transistor Mantık (TTL)

Tarihsel Context ve Development

TTL, 1960'ların başlarında RTL ve DTL gibi önceki mantık ailelerine bir önceki olarak ortaya çıktı. Texas Instruments 1964'te ilk ticari başarılı TTL serisini tanıttı ve dijital devrimin çalışma grubunu hızla tanımladı. TTL, iki yönlü kavist elektronik elektronik elektronikten her şeyi kullanıyor.

TTL nasıl çalışır?

Bir TTL kapısında, giriş aşaması çok fazla kişilik bipolar transistörden oluşur - DTL'de kullanılan girdi diyotlarının yerini alan akıllı bir tasarım. çıktı aşaması genellikle totem-pole yapılandırmasını kullanır (a push-pull çiftleri) aktif bir şekilde çekme ve çekme, hızlı geçişler ve düşük çıkış engelleyicisi sağlar.

• Mantık düşük (0): tipik olarak 0 V to 0.8 V
• Mantık yüksek (1): genellikle 2.0 V'ye 5.0 V (V_)CC) = +5 V)

Standart TTL kapısı yaklaşık 10 mW'yi parçaladı ve 1960'larda ve 1970'lerde devlet-en-art olan bir kombinasyon yaklaşık 10 ns'ın bir gecikme gecikmesi var.

TTL Subfamilies and Their Character

Zamanla, TTL çok sayıda altfamilies haline geldi, her biri farklı bir parametreyi optimize etti:

• [FONT=0)Standart TTL (74xx): [Dönder: 1) Orijinal, tipik bir yönlendirme gecikmesi ile - 10 ns ve güç - 10 mW kapı başına.
• [FONT=0) Düşük Güç TTL (74Lxx): ) Daha yavaş hız maliyetinde (~1 mW) azaltıldı.
• [FONT:0)Schottky TTL (74Sxx): ) 3 ns olarak gecikmelere izin vermek için Schottky-clamped transistörleri kullandı, ancak yüksek güçle (~19 mW).
• [FONT=0) Düşük Güç Schottky TTL (74LSxx):[Döneticileri yüksek dirençli değerlere sahip Kompoze, saygın hızları korumak için gücü düşürmek (~9.5 ns). 74LS serisi 1970'lerin ve 1980'lerin sonlarında en popüler TTL ailesi oldu.
• [FONT=0)Fast TTL (74Fxx): ), 4 ns'in orta gücü olan gecikmeler için 4 ns altında gecikmeler için daha iyi tasarlanmış Schottky teknolojisi (~5.5 mW).
• [FONT=0) İleri Schottky (AS) ve Advanced Low-Power Schottky (ALS): [FONTT:1), 1980'lerde ortaya çıkan CMOS ile rekabet etmek, 74S ile karşılaştırılabilir hızlara ulaşmak için tanıtıldı.

TTL'nin Avantajları ve Dezenvantajları

[FONT:0]Advantages:[Dönetici:[Dönetici:0)[Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: [Döneticiler: 0,8|Döneticiler, yüksek çözünürlükte, kolay kullanım standart. Çıktıları, çıktı yapısı, diğer TTL kapılarını sürmek için mükemmel hale getirebilir, LED'ler ve daha küçük röpücükler ek bir tampon çip olmadan küçük röpler.

[FONT:0)Disadvantages:[Dönetici: 0,4][/FONT=0)Dönergeler, mevcut ve giriş yapısı (multi-emitter transistörleri) sürekli olarak kullanılan girişler ile ilgili sorunlara neden olabilir.

Bu dezavantajlara rağmen, TTL 1980'ler boyunca baskın kaldı ve hala birçok miras sistemi ve eğitim bağlamında kullanılıyor. Birçok modern 74HC ve 74HCT CMOS parçaları TTL meslektaşları için pin-ailesiz yedekler sağlıyor, yeniden tasarlanmadan yükseltmeler sağlıyor.

Tamamlayıcı Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)

Origins ve Dominance'a Yükselişi

CMOS teknolojisi ilk olarak Frank Wanlass ve Chih-Tang Sah tarafından 1963 yılında önerildi, ancak boş statik güç tüketiminden daha yavaşladı - sadece batarya destekli cihazlar ve yüksek çözünürlükte tanıtıldı.

Bu atılım 1980'lerde yarı iletken ölçeklendirmeye izin verildiğinde CMOS'un gücünü korurken TTL hızlarını aştı. Bugün tüm dijital IC'lerin% 99'u – mikroişlemcilerden özel ASIC'lere hafızaya geçti – CMOS teknolojisini kullanarak inşa etti.

İşletim Prensibi

Bir CMOS kapısı, yüksek çıktıyı çekmek için tamamlayıcı bir çift kullanır, bu yüzden V_{) düşük çıktıyı çıkarmak için doğrudan DC yolu yoktur.[D)[D)D[D)Düzücük gücü sadece geçiş sırasında tüketilir.}

CMOS mantık seviyeleri tedarik gerilimine bağlıdır. 5 V tedarik için, mantık düşük tipik olarak 0 V ila 1.5 V ve mantık yüksek olan 3.5 V ila 5 V. Modern düşük gerilim CMOS, 3 V, 1.8 V veya daha düşük tedarik raylarını kullanır.

CMOS Aileleri ve Onların Evrimi

• [FONT=0)4000 Serisi (CD4000): [DFLT:1), Orijinal CMOS, yavaş (önemli gecikme -200 ns) ama 3 V'den 15 V'ye kadar çok düşük güç.
• [FONT=0)74HC (High-Speed CMOS): [FONTT:1), 1980'lerde Tanındı, 74LS TTL ile uyumlu, ancak 74LS ile karşılaştırılabilir olan CMOS güç tüketimi ve hızları ile 74LS'ye karşılaştırılabilir (~10 ns gecikme 5 V).
• [FONT:0)74HCT (High-Speed CMOS with TTL Giriş Seviyeleri ile Yüksek Hızlandırılmış): ), 74HC olarak aynı ama TTL mantık seviyeleri ile uyumlu olan giriş eşleri ile, TTL parçalarıyla doğrudan karıştırın.
• [FONT=0)74AC (Advanced CMOS): ), 5 V'de 5 ns altında gecikmeler ile 5 V. yüksek hızlı otobüs arabirimleri için kullanılır.
• [FONT=0)74ACT (İFT ile TTL Seviyeleri ile İleri CMOS): [Dönetici: 1 ) 74AC'ın rekabet eden versiyonu.
• [DÜDÜDÜ:0) Düşük Voltage CMOS (LVC): [DÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜCÜŞÜNÜ BÖLÜMÜ: 0,5LVC, 74ALVC ve 74AVC gibi aileleri içerir.
• [FONT=0) <24-DÜcretsiz ve Nano-Power CMOS:[DÜT:1) IoT'de kullanılır ve nanowatt aralığındaki güç tüketimi ile 1 V'nin altında çalışır.

Avantajları ve Sınırlamaları

[FONT:0]Advantages:[Dönetici:[Dönetici:0)[Döneticileri, yüksek gürültü bağışıklığı, çok sayıda aile için), yüksek paketleme yoğunluğu ve mükemmel ölçeklenebilirlik. CMOS, 1970'lerde 10 μm kapısından başarıyla ölçeklenen tek mantık ailesidir.

[FONT=0]Limitations:[DÜDÜDÜDÜSÜDÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0,0)NÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: [Üye Olmayanlar: [DÜye Olmayanlar, Zayıflar, Zayıflar, Güç avantajını dengeleyenler (pMOS) dikkatle tasarlanmış değil. Giriş koruma diyotları elektrostatik deşarjı (ESD) zararları önlemek için gereklidir.

Emitter-Coupled Logic (ECL)

Yüksek Hızlı Lider

ECL, 1960'larda Motorola ve Fairchild gibi şirketler tarafından ultra yüksek hızlı dijital uygulamalar için bir çözüm olarak geliştirildi. TTL ve CMOS'tan farklı olarak, modern versiyonların arasında transistasyonlar da faaliyet göstermektedir.

ECL Nasıl Çalışır

ECL kapıları sürekli mevcut bir kaynakla ayırıcı yükselteçlere dayanmaktadır. Çıktılar transistör çiftten alınır, tamamlayıcı çıktılar (gerçek ve yanlış). Çünkü transistörler asla oturmaz, geçiş son derece hızlı bir şekilde hızlı bir şekilde hızlanır, ancak sürekli şu anda 20-60 mW'nin sabit bir gücü dağılımı anlamına gelir - boş zaman bile. ECL negatif güç malzemeleri kullanır (tipik olarak - 10K serisi için 5.2 V - 100K serisi için V)

• Mantık düşük: yaklaşık -1.75 V (V₎
• Mantık yüksek: yaklaşık -0.9 V (V[DÜDÜ:0)OH).

Bu küçük gerilim salımı (yalnızca ~0.85 V) daha hızlı geçişe katkıda bulunur, çünkü daha az şarj geçiş başına hareket etmelidir.

ECL Aileleri

• [FONT:0)ECL 10K (MECL 10K): [Döneticileri, kapı başına 2 ns ve güç tipik gecikmeleri ile 1970'lerde tanıtıldı.
• [FONT:0)ECL 100K (MECL 100K): ) Geliştirilmiş hız ( 1 ns) ve daha sıkı sıcaklık tazminatı. Yüksek hızlı telekomünikasyon ve test ekipmanları için standart olarak.
• [FONT:0)PECL (Positive ECL): ), Diğer mantık aileleriyle bağlantı kurmak için pozitif bir tedarik (örneğin, +5 V) ile bağlantılı olarak çalışan bir değişken.
• [FONT=0)LVPECL (Düşük-Voltage PECL): [Döneticiler 3,3 V veya 2.5 V, çoğunlukla Gigabit Ethernet, Fibre Channel ve PCIe saat dağıtım gibi yüksek hızlı seri bağlantıları kullanıldı.
• [Gallium Arsenide) ECL: [Dönetici: 1 ) Daha yüksek hızlar için bileşik yarı iletkenleri kullanın (40 Gbps'ye kadar), askeri ve havacılık iletişiminde bulundu.

Uygulamalar ve Zorluklar

ECL süper bilgisayarlar için seçim mantığı ailesi olmuştur (örneğin, Cray-1, IBM 3090), yüksek frekanslı test ekipmanları (oscilloskoplar, sinyal jeneratörleri), ve telekomünikasyon altyapısı (SONET/SDH, optik transceivers).

[FONT:0]Disadvantages:[Dönetici: [Dönetici: 1] Yüksek güç tüketimi, dikkatli termal yönetim gerektiren önemli ısı yaratır. Küçük gerilim hızları ve negatif tedarik rayları TTL veya CMOS non-trivial ile birlikte etkileşim yapar - seviye değişimciler genellikle ihtiyaç duymazlar. ECL aynı kapı yoğunluğunu elde etmek için daha pahalıdır.

Mantık Ailelerinin Karşılaştırması

Aşağıdaki tablo, her ailenin temsilcisi üyeleri için anahtar parametreleri özetliyor. Değerler yaklaşık ve belirli sayıda sayıya ve işletim koşullarına bağlı.

Parameter	TTL (74LS)	CMOS (74HC)	CMOS (74AC)	ECL (100K)
Supply Voltage	5 V ± 10%	2 V – 6 V	2 V – 6 V	-4.2 V (or +5 V for PECL)
Typical Propagation Delay	9.5 ns	10 ns	4 ns	0.8 ns
Power Dissipation per Gate (static)	2 mW	~0.1 µW	~1 µW	25 mW
Noise Margin (low/high)	0.4 V / 0.4 V	1.5 V / 1.5 V (at 5 V)	1.2 V / 1.2 V	0.25 V / 0.25 V
Fan-out (typical)	10	50+	50+	15
Gate Density	Low	High	Very High	Low

Masa şovları olarak, net bir hız-güç ticareti-off. TTL orta bir dengeye çarptı, CMOS güç verimliliği ve yoğunlukta öne çıkıyor ve ECL güç ve karmaşıklık pahasına en yüksek hız sunuyor.

Modern Relevance ve Devamlı Evrim

CMOS ve Descendants'in Hakimliği

1990'lardan bu yana, CMOS neredeyse tüm dijital mantık uygulamaları yönetti, Moore ’ tarafından yönlendirildi; Kanun ölçeklendirme. Modern CPUs, GPUs ve bellek cipsleri, 3 nm. Variants gibi gelişmiş CMOS süreçleri [CVCMOS) ve yüksek hızlı CMOS (HSCMOS) arayüz standartlarında kullanılan yüksek çözünürlükte.

TTL ve ECL, Yirmi İlk Yüzyılda

TTL büyük ölçüde yeni tasarımlarda eskidir, ancak 74LS ve 74HCT aileleri eğitim, hobi projeleri ve mirası endüstriyel kontroller için popülerdir. Birçok üretici hala ECL'in yüklü üssünden dolayı 74 serisi mantık cihazları üretiyor. ECL, niş, ECL konseptlerinden de faydalanıyor.

Gelişen Mantık Aileleri

Çeşitli yeni mantık aileleri, geleneksel CMOS'un atom ölçeklerinde sınırlarının üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır:

• [FONT ve Kapı-All-Around (GAA) FETs: 3 boyutlu transistör tasarımları 7 nm ve aşağıda kontrolü azaltan ve geliştirmeyi sağlayan üç boyutlu transistör tasarımları.
• [FONT:0)Carbon Nanotube FETs (CNTFETs): Karbon nanotüpleri kanal olarak kullanan deneysel cihazlar, umut verici yüksek hız ve daha düşük enerji.
• [FONT:0)Spintronic Mantık:[Dönetici:[Dönetici: 1) Elektriksel spini sorumlu olmaktan ziyade, potansiyel olarak boş devletlerde güç tüketimini ortadan kaldırır.
• [FONT=0)Quantum-Dot Hücreleri Automata (QCA): [Dönetici: 1) kuantum dotlar arasında elektrostatik reaktif bir yaklaşım.

Bunlar kitlesel üretimden uzakken, TTL, CMOS ve ECL ile ilk karşılaşılan klasik ticaret-offları dengelemeye devam eden sürüşü gösteriyorlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

TTL'den ECL'e olan evrim temel bir mühendislik arayışını yansıtıyor: dijital devreleri daha hızlı, daha verimli ve daha kompakt hale getirmek için. TTL, dijital elektronik geçişleri talep eden ilk dalgasına sahip olan standart bir standart sağladı. CMOS devrime yakın statik gücü ve dikkat çekici ölçeklenebilirliği ile endüstriyi anlayın, el-günümüzdeki tüm dijital elektronik tasarımların ve diğer öğrencilerin değerlendirilmesi için daha derin bir şekilde teşvik edilir.