TTL, CMOS en andere technologieën

Dit hoofdstuk geeft wat meer informatie over de verschillende soorten digitale technologieën. Deze stof is minder examen-gericht maar daarom niet minder interessant. Je leert hier interessante dingen over de technologie, kwaliteit, snelheid… van een aantal veelgebruikte families van logische IC’s.

De markering van digitale componenten :

Enkele notities over wat een hoog of laag niveau is :

Bepaalde niveaus op de ingangen bepalen het niveau van de uitgang. Er moeten grenzen aan elk soort niveau gesteld worden om ze te beschouwen als ofwel hoog, ofwel laag. Hetzelfde geldt voor de uitgang. Een paar definities :

• O = Ouput – Uitgang
• I  = Input – Ingang
• L =  Low – Laag
• H =  high – Hoog
  
• Vol max = Maximum laag niveau spanning bij 8 mA.
• Vil max = Maximum niveau laag op de ingang.
• Vih min = Minimaal niveau laag op de ingang.
• Voh min = Minimaal niveau hoog op de uitgang.
  

De TTL familie :

Deze familie maakt gebruik van bipolaire transistoren: de naam komt van “Transistor Transistor Logic”. De transistoren werken in verzadiging met als nadeel de lage schakelsnelheid en de beperkte maximale frequentie. Een ander nadeel van deze hoge stroom is het verbruik.

Hierboven zie je een NAND -poort in de TTL-technologie. Let op beide transistoren aan de beide ingangen.

Bemerk ook de zwevende ingangen. Dit in-de-lucht-hangen heeft een hoog niveau als gevolg.

De standaardtechnologie heeft een hoog verbruik met 5 V als nominale voeding. Door vergroting van de weerstanden kan de producent dit verbeteren (stromen dalen). Natuurlijk heeft dit een gevolg voor de snelheid. Door de parasitaire capaciteit en deze grotere weerstanden gaan de tijdconstanten vergroten. De snelheid verlaagt dus.

De transistoren werken in saturatie. Hierdoor worden ladingen opgeslagen op de basissen. Bij omschakelen moeten deze ladingen zo snel mogelijk verwijderd worden. Een oplossing is om tussen basis en colector speciale zgn. Schottky-diodes te plaatsen. Dit verhindert de accumulatie van ladingen hetgeen de schakelsnelheid gunstig beïnvloedt. Het nadeel van een groter verbruik blijft bestaan.

Men maakt gebruik van de reeds beschreven TTL, waarbij L slaat op de schakelsnelheid. Het verbruik ligt lager, maar de snelheid valt wel wat terug.

De markt vereist steeds snellere componenten met een steeds lager verbruik. Vandaar nog een verbetering, de F van (fast)

Deze transistortechnologie “A” staat voor advanced en ontstond rond 1990. Bij de technologie ALS, staat L voor Low .
De verbetering is vooral te merken aan de omvang van de transistoren en basiscomponenten.

De CMOS-familie :

De eerste reeks CMOS verscheen onder de nummers 4000. In vergelijking met de TTL werd het verbruik door CMOS sterk verminderd. De voedingspanning van dit soort IC’s is minder veeleisend en kan vanaf 3 V tot zelfs 18 V gaan. Maar ook het lage verbruik is belangrijk.
Een ingang “los in de lucht” betekent een “hoog” of 1 bij TTL. Bij de CMOS reeks MOET een niet-gebruikte ingang ergens aangesloten worden. Aangezien de ingangsimpedantie zeer hoog is, wordt anders het gedrag onzeker. Deze hoge ingangsimpedantie betekent ook dat CMOS-IC’s zeer gevoelig zijn voor statische elektriciteit en met bijzondere omzichtigheid behandeld moeten worden.

Een eerste overzicht is reeks B. Door de overstap naar CMOS verandert men volledig van technologie.

De 74HC…-reeks kan tussen 2 en 6V gevoed worden en blijft bijgevolg nog TTL- compatibel. Door de MOS-technologie blijft ook het lage verbruik hier behouden. De reeks is snel met een kleine propagatietijd, dus op hoge frequenties inzetbaar.
De serie HCT werd met het oog op de compatibiliteit met TTL uitgewerkt, waarbij vooral op de ingangsniveau’s werd gelet.
De volledige T-reeks is compatibel met TTL.

Ac staat voor “advanced CMOS” de T verwijst naar de compatibiliteit met TTL.

LV betekend “Low Voltage” (lage spanning). De voeding voor dit type bedraagt 3,3 V. De technologie dateert van 1993 en is in het geval van LVT compatibel met TTL .
De AVC werken zelfs onder 1,8 V.

De ECL-familie :


Een zeer snelle technologie door de “emittor gekoppelde logica” of Emitter coupled Logic-technologie, maar met het nadeel, veel vermogen te vereisen.

De BiCMOS-familie :


Hier worden bipolaire en CMOS-technologieën complementair toegepast. Bipolaire transistors laten grote stromen toe ( hetgeen toch relatief is) maar een CMOS met een grote ingangsimpedantie verbruikt bijna niets.
Vanuit deze vaststelling gebruikt men bij de BiCMOS-technologie bipolaire transistors voor het sturen van de belasting en de CMOS, met als voordeel de hoge ingangsweerstand, voor de logische schakeling. Alle componenten worden op hetzelfde substraat gebouwd.

Enkele raadgevingen voor het gebruik :

• Respecteer de gegevens van de constructeur naargelang de aard van de technologie. Een 7400 TTL zou een voeding van 8V kunnen overleven maar niet lang… ( Een goede raad, plaats tijdelijk een stroommeter in de voeding en je zal wel zien als het mis gaat).
• Let op een zuivere voeding van elk IC, door een ontkoppeling met telkens 10 nF (ook per IC).
  
• De voeding van de hele schakeling moet zuiver zijn: ze mag zeker geen parasitaire oscillatie(s) of brom bevatten en moet een zeer lage inwendige weerstand hebben ( ook voor schakelmomenten ), zoniet krijg je garandeerd een onbetrouwbaar gedrag waarvan de oorzaak vaak moeilijk is te lokaliseren.
  
• Zoals gezegd mogen ongebruikte ingangen bij TTL zweven. Toch is het beter ze via een weerstand aan het gewenst niveau te verbinden. Dit is nauwelijks duurder, en toch veel zekerder voor een betrouwbare werking van de schakeling. Let uiteraard op het verschil met CMOS.