Dijital mantık aileleri tüm modern elektronik sistemlerin temel bina blokları oluşturur. Bir mantık ailesi, dijital mantık kapıları (AND, OR, NOT, vs.) ve daha karmaşık devreleri, ters-Oxide-Semiconductor (CMOS), ve Emitter-Coupled Mantık (ECL) uygulamak için kullanılan standart bir dizi teknolojidir.
Transistor-Transistor Mantık (TTL)
TTL, 1960'larda Texas Instruments tarafından tanıtıldı ve hızla orta ölçekli entegrasyon (MSI) ve küçük ölçekli entegrasyon (SSI) devreleri için hakim mantık ailesi haline geldi.SSI-emitter transistörlüğü (BJTs) birincil anahtarlama unsurları olarak kullanır. standart bir TTL kapısı çok fazla-emitter giriş transistörlüğünden oluşur ve bir totem-pole çıktı aşaması.
Gerilim Seviyeleri ve Gürültü Margins
Standart bir TTL kapısı için (örneğin, 7400 serisi), garantili çıktı gerilim seviyeleri şunlardır:
- V)OH[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜSÜŞÜŞÜNÜSÜŞÜNÜ (Yüksek) ≥ 2.4 V (tipik olarak 3.4 V ışık yükü altında)
- V)[Dönemli: ≤ 0,0)
- V)IH[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜŞÜye Değer)
- V)[Dönemli: 0,8 V[DÜye Olmayanlar)
Giriş gerilim eşleri hem mantık devletler için 0,4 V gürültü marjı sağlar. Bu birçok uygulama için yeterli, ancak gürültülü endüstriyel ortamlarda sınırlama olabilir.
Hız ve Güç Tüketimi
Standart TTL (74LS subfamily), depolama süresini azaltmak için tipik bir propagasyon gecikmesi var, 3–4 ns'in gecikmeleri ve kapı başına 2 mW'nin (en iyi Schottky) ve 74ALS (Advanced Schottky) gibi daha iyi bir şekilde çalışır. TTL, ticaret-off-ve-off-off-ve-ve-ve-ve-ve-ve-ve-ve-family-sonra-sonra) birçok büyük güçle uyumlu hale getirir.
Fan-Out ve Interface
Standart TTL kapısı, 10 standart TTL yüküne kadar sürebilir (ortalama devreleri olmadan) ancak, TTL kapısı için mevcut olan giriş önemlidir: bir mantık düşük giriş kaynak akımı (tipik olarak 1.6 mA), yüksek bir girişin batması gerekirken, bir TTL kapısının CMOS çıkışından bir TTL kapısının sürmek, yüksek seviyeli gerilimin 2.0 V eşini karşılamak için direnç gösterir.
Uygulamalar ve Avantajlar
TTL eğitim amaçlı olarak kullanılıyor, miras sistemlerinde ve 5 V tedarikinin zaten mevcut olduğu uygulamalarda. Bu, CMOS'un yüksek güç verimliliği nedeniyle elektrostatik deşarj (ESD) tarafından oldukça bağışıklık sağlanmaktadır ve çıktı gücü LED'leri, röleleri ve diğer ayrık bileşenleri için faydalıdır.
Daha fazla okuma için, [[Güce:0)Texas Instruments TTL Mantık Veri Kitabı[Dönetici: 1) ve [Dönetici:2)Wikipedia makale TTL).
Tamamlayıcı Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS)
CMOS teknolojisi, p-channel ve n-channel metal-oksi-semiktör alanı-son transistörleri (MOSFETs) mantık fonksiyonlarını fark etmek için tamamlayıcı çiftleri kullanır.
İç Yapı ve Operasyon
Temel bir CMOS dönüştürücü bir pMOS transistör (pull-up) ve nMOS transistör (pull-down) yüksek olduğunda (VNTDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD[DDDDDDDD) ve nMOS ortaya çıkıyor ve pMOS çıktı, V[DDNT ile doğrudan yol olmadığı için çıktı.
Gerç Düzeyleri ve Gürültü Immunity
CMOS çıktıları raydan çıkıyor: V)OH[D][D][/FONT=D[D][/FONT][/FONT][/D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D=D=D=D=D=D=D=D =D =D =D FONT=D FONT=D D FONT=D D FONT=D FONT=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=
Güç tüketimi: Statik vs. Dinamik
Statik güç neredeyse sıfır olsa da, CMOS güç tüketimi dinamik güç nedeniyle önemli hale gelir: P = C)L) V|DDD) CL) yük kapasitesinin azaltılması için önemli bir sürücü haline gelir[DDDDD[DDD[DDDD][D][D][D][D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=D][/FONT=S][/FONT=S=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D][/FONT=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=D=C][/
Tahmin Gecikme ve Hız
CMOS kapısı gecikmesi, on iki nanosaniyede gecikmeler ile belirlenir, ancak, ciltler üzerinde ısınır.The MOSFETs. Early CMOS (e.g., 4000 serisi) gecikmeler ile yaklaşık olarak yavaştır. ancak, on milyonlarca nanosaniyede gecikmeler, kapı gecikmeleri dramatik olarak geliştirilebilir.
Latch-Up ve Koruma
CMOS ile ilgili bir tarihsel sorun latch-up – bu, CMOS yapısı içindeki parasitik bipolar transistörlerin, V)DD[FLT] arasındaki düşük mesafe yolu oluşturmak için ek olarak, giriş koruma yolları oluşturmak için.
Subfamilies and Applications
Common CMOS mantık altları içerir:
- [FONT:0)4000 serisi[DÜT:1]: Geniş tedarik aralığı (3–15 V), çok düşük güç, ancak yavaş (50-100 ns).
- [FONT=0)74HC / 74HCT[[Dönem: Yüksek hızlı CMOS TTL-ailesi olmayan gerilim seviyeleri (HCT).
- [FONT=0)74AC / 74ACT[[Dönem: Gelişmiş CMOS, daha hızlı (3-6 ns), daha yüksek çıktı sürüş.
- [DÜDÜDÜDÜSÜŞÜNÜ:0) Düşük gerilim CMOS (LVC, AVC)[DÜDÜDÜN)[DÜye: 1.4.1 V'de Operate, batarya destekli cihazlarda kullanılan.
CMOS, basit yapıştırıcı mantığından karmaşık SoCs'e kadar her şeyde kullanılır. En az standby gücü olan milyonlarca transistörü entegre etme yeteneği onu vazgeçilmez kılar.For more details, see theTELFLT:0)All About Circuits tutorial on CMOS).
Emitter-Coupled Logic (ECL)
ECL, bipolar kavşak transistörleri olmayan (aktif) bölgede faaliyet gösteren bir mantık ailesidir.TTL'den farklı olarak, transistörlerin saturate (küresel bir şekilde) olduğu yerde, ECL transistörlerin her zaman lineer bölgede tutulması, depolama süresini ortadan kaldırmak için ECL'i en hızlı standart mantığı aileyi ortadan kaldırır.
İşletim Prensipleri
Temel bir ECL kapısı, ortak bir yayıcı ile bir çift kullanır. giriş gerilimi referans gerilimi ile karşılanır (tipik olarak V)) ve genellikle V), giriş transistörleri ve referans transistörlerinden uzak durur, tamamlayıcı çıktılar üretir.
Gerç Seviyeler ve Mantık Swing
ECL geleneksel olarak negatif bir güç tedariki ile çalışır (V)EE). = -5.2 V veya -4.5 V) ve pozitif demiryolu olarak zemin. mantık hızı, ECL 10K ailesi için küçük (yaklaşık 800 mV)dir:
- V)OH[DÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ (Yüksek)
- V)[Dönemli: 1 )
- V)IH[DÜye Olmayanlar 1,1,005 V
- V)[Dönemli: 1)
Bu seviyeler zemine yakın, ECL çıktılarını PECL ile uyumlu hale getirmek (Positive ECL) +3.3 V veya +5 V tedariki yerine kullanılır. Küçük gerilim hız, parasitik kapasitanslar için gereken süreyi azaltır, yüksek hızda katkıda bulunur.
Fan-Out ve Transmission-Line Thinkations
ECL çıktıları düşük çıktı (tipik olarak 7–15 ULL) ve doğru şekilde sonlandırılma hatlarına (vücretsiz veya 75 ULL) Bu, ECL'in yüksek frekanslı dijital sinyallerin ne kadar azaltılacağına dair ideal bir çiftliği sağlar.
Güç tüketimi ve ısı Yönetimi
Sürekli zamanlı tasarım, ECL kapıları, geçiş faaliyetlerine bakılmaksızın sürekli bir mevcut çizmektedir. Tek bir ECL kapısı 10-40 mW tüketebilir ve büyük bir ECL sistemi onlarca watt'ı ayırabilir, dikkatli ısı yönetimi gerektiren - ısınmış hava soğutma veya sıvı soğutma yoğun yapılarda ısıtılır.
Subfamilies and Applications
Key ECL aileleri şunları içerir:
- [FONT:0)ECL 10K[DÜDÜT:1): -5.2 V tedarik, 1-2 ns, güç ~25 mW /gate.
- [FONT:0)ECL 100K[DÜDÜT:1): Geliştirilmiş versiyon, -4.5 V tedarik, daha hızlı (0.75-1 ns), daha iyi sıcaklık stabilitesi.
- [FOLinPS / ECLinPS Lite): Introduction, ultra yüksek hızlı ECL 500 p altında gecikmelerle.
ECL yüksek frekanslı iletişim (fiber-optik transceivers), radar, yüksek hızlı araçlama (konomikler, mantık analizleri), ve miras süper bilgisayarları (Cray) ayrıntılı bir teknik genel için, bkz.DCL Application Not[FLT]
TTL, CMOS ve ECL Karşılaştırmalı Analiz
Bir mantık ailesi birkaç ticaret-off dengelemeyi içerir. Aşağıdaki tablo her ailenin tipik temsilcileri için anahtar parametreleri özetliyor (standart TTL 74LS, standart CMOS 74HC ve ECL 10K):
| Parameter | TTL (74LS) | CMOS (74HC) | ECL (10K) |
|---|---|---|---|
| Supply voltage | 5 V ± 5% | 2–6 V | -5.2 V (or +3.3/5 V for PECL) |
| Logic swing | ~3.0 V | VDD – 0 V | ~0.8 V |
| Propagation delay (typical) | 9–10 ns | 7–10 ns | 1–2 ns |
| Static power per gate | ~2 mW | ~1 µW (leakage) | 25 mW |
| Dynamic power | Moderate | C V² f | Nearly constant (high) |
| Noise margin | 0.4 V | ~1.5 V (at 5 V) | ~0.2 V |
| Fan-out | 10 | 50+ | 25+ (with termination) |
| Output drive (source/sink) | 0.4 mA source / 8 mA sink | 4 mA source / 4 mA sink (typical) | High (50 Ω termination) |
| Integration density | Low–medium | Very high | Low–medium |
| Primary limitation | Power, speed at subfamily extremes | Speed at high capacitance loads | Power, heat, voltage levels |
Hız Karşılaştırması
ECL hızdaki açık lider, ECL'den daha hızlı CMOS (74AC, 74LVC) takip ediyor ve sonra TTL. Ancak, çok derin submikron CMOS'ta, kapı gecikmeleri ECL'ye karşılaştırılabilir hale geliyor, bu yüzden ECL'in çoğu yüksek performanslı dijital sistemler artık ECL'i kullanıyor.
Güç Tüketimi
CMOS düşük güç uygulamalarında öne çıkıyor, özellikle birçok kapı boş veya saat hızları düşük. TTL orta bir orta zemin sunuyor. ECL'in sabit gücü çizer, batarya destekli cihazlar için uygun olmayan hale getirir.
Ger ve Interface Uyumluluk
TTL 5 V tedarikini kullanır, ancak modern CMOS, 1.2 V'den 5.5 V'ye kadar herhangi bir gerilimde çalışabilir. CMOS ile Interface TTL genellikle seviye değişimi veya dış direnç gerektirir. ECL negatif malzemeler ve dikkatli sinyal sonlandırma gerektirir, artan sistem karmaşıklığı gerektirir.
Doğru Mantık Ailesini Seçin
Karar, tasarımın belirli kısıtlamaları tarafından yönlendirilmelidir:
- Speed: Saat oranları 100 MHz'i aşıyorsa, ECL veya çok hızlı CMOS (e.g., 74AUC) gerekli olabilir.For most (<50 MHz) uygulamalar, standart CMOS veya TTL yeterli.
- [FONT=0)Power bütçesi: [Dönetici için], CMOS, orta hız, TTL veya CMOS için hem çalışma hem de CMOS için uygun bir seçimdir.
- [FONT:0) Çevre: [Dönetici ayarlarında, CMOS'un geniş gürültü marjları yararlıdır. ECL'in küçük marjları ve diferansiyel sinyalleme aynı zamanda ortak mod gürültüsü reddedebilir.
- [FONT:0)Output sürücüsü:[Dönetici:[Dönder:0) Ağır yüklere (uzun izlerini, birden fazla giriş veya LED'leri) sürmeniz gerekiyorsa, TTL ve gelişmiş CMOS mevcut daha güçlü bir çıktı sunar. ECL, büyük akımları batırmak için tasarlanmıştır.
- [FONT=0]Cost ve kullanılabilirlik:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici: 0) 74 serisi CMOS cihazları yaygın olarak kullanılabilir ve ucuz. ECL parçaları daha uzmandır ve pahalı olabilir.
Mantıklı Ailelerde Future Trends
TTL ve klasik ECL şimdi miras teknolojileri olarak kabul edilirken, ilkeleri modern süreçlerde yaşar. BiCMOS (Bipolar-CMOS) yüksek hızlı trenler için bipolar transistörleri birleştirip, bazı RF ve karışık imzalı yıllarda kullanılan (InP) HBT'ler, yüksek çözünürlükte nano-enerjiye sahip olan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte olan nano-faşist sistemlerde yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte kalır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
TTL, CMOS ve ECL, endüstriyi düşük güç ve yüksek yoğunlukla temsil ediyor, her biri benzersiz bir güçlü ve zayıf yönleriyle. TTL, on yıllardır sağlam, kolay kullanım mantığı ailesi sağladı ve eğitim ve miras ayarlarıyla ilgili olarak kalır. CMOS, endüstriyi düşük enerji ve yüksek yoğunlukla dönüştürdü, modern elektroniklerin arka kemiği haline geldi, ancak bu tür bir üretim sürecindeki hız sınırlarını zorladı.