1947年點(diǎn)接觸晶體管發(fā)明后，事情開始迅速發(fā)展。第一個(gè)雙極晶體管是在第二年發(fā)明的。然后在1958年，杰克·基爾比發(fā)明了第一個(gè)集成電路，在同一個(gè)芯片上安裝了一個(gè)以上的晶體管。11年后，阿波羅11號(hào)登陸月球，這要?dú)w功于革命性的阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)，這是世界上第一臺(tái)嵌入式計(jì)算機(jī)。它是用原始的雙三輸入非柵集成電路制成的，每個(gè)門僅由3個(gè)晶體管組成。

 

這就產(chǎn)生了流行的TTL（晶體管-晶體管邏輯）系列邏輯芯片，它們是用雙極晶體管構(gòu)造的。這些芯片的工作電壓為5伏，最高可運(yùn)行到25兆赫。

 

這些很快就被肖特基箝位晶體管邏輯所取代，肖特基箝位晶體管邏輯在基極和集電極上增加了一個(gè)肖特基二極管以防止飽和，從而大大減少了存儲(chǔ)電荷和減少了開關(guān)時(shí)間，進(jìn)而減少了由存儲(chǔ)電荷引起的傳播延遲。

 

 

另一系列基于雙極晶體管的邏輯是ECL（發(fā)射極耦合邏輯）系列，它在負(fù)電壓下運(yùn)行，與標(biāo)準(zhǔn)的TTL同類產(chǎn)品相比，ECL可以運(yùn)行到500MHz。

 

大約在這個(gè)時(shí)候，CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）邏輯被引入。它同時(shí)使用N通道和P通道設(shè)備，因此名稱互補(bǔ)。

 

TTL與CMOS的優(yōu)缺點(diǎn)

 

 

第一個(gè)也是最常被談?wù)摰氖枪?TTL比CMOS消耗更多的電能。

 

這在某種意義上是正確的，TTL輸入只是雙極晶體管的基礎(chǔ)，雙極晶體管需要一些電流來(lái)打開它，輸入電流的大小取決于內(nèi)部的電路。當(dāng)許多TTL輸入連接到一個(gè)TTL輸出時(shí)，這就成了一個(gè)問(wèn)題，而TTL輸出通常只是一個(gè)上拉電阻或一個(gè)驅(qū)動(dòng)性能較差的高壓側(cè)晶體管。

 

另一方面，CMOS晶體管是場(chǎng)效應(yīng)的，換句話說(shuō)，柵極處的電場(chǎng)足以影響半導(dǎo)體通道的傳導(dǎo)。理論上，除了柵極的小漏電流（通常為皮卡或毫安量級(jí)）外，不會(huì)產(chǎn)生電流。然而，這并不是說(shuō)即使在更高的速度下，同樣的低電流消耗也是正確的。CMOS芯片的輸入具有一定的電容，因此上升時(shí)間有限。為了確保在高頻下上升時(shí)間很快，需要一個(gè)大電流，在MHz或GHz頻率下可以達(dá)到幾安培。這種電流只在輸入必須改變狀態(tài)時(shí)才被消耗，而TTL的偏置電流必須與信號(hào)一起存在。

 

在輸出方面，CMOS和TTL各有優(yōu)缺點(diǎn)。TTL輸出要么是圖騰柱，要么是上拉。有了圖騰桿，輸出只能在軌道0.5V范圍內(nèi)擺動(dòng)。然而，其輸出電流遠(yuǎn)高于CMOS芯片。同時(shí)，CMOS輸出可以與電壓控制電阻器相比較，根據(jù)負(fù)載情況，可以在電源軌的毫伏范圍內(nèi)輸出。然而，兩個(gè)led的輸出電流往往很有限。

 

由于其較小的電流要求，CMOS邏輯非常適合小型化，數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管可以封裝到一個(gè)小區(qū)域，而不需要過(guò)高的電流。

 

 

與CMOS相比，TTL的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是其耐用性。場(chǎng)效應(yīng)晶體管依賴于柵極和溝道之間的薄氧化硅層來(lái)提供它們之間的隔離。這種氧化層厚度為納米，擊穿電壓很小，即使在高功率fet中也很少超過(guò)20V。這使得CMOS對(duì)靜電放電和過(guò)電壓非常敏感。如果輸入是浮動(dòng)的，它們會(huì)慢慢積累電荷并引起輸出狀態(tài)的假變化，這就是為什么CMOS輸入通常被上拉、下拉或接地。TTL在很大程度上不受這個(gè)問(wèn)題的影響，因?yàn)檩斎攵耸且粋€(gè)晶體管基極，它的作用更像一個(gè)二極管，由于它的阻抗較低，對(duì)噪聲不太敏感。

 

TTL還是CMOS？哪個(gè)更好？

 

CMOS邏輯幾乎在所有方面都取代了TTL。雖然TTL芯片仍然可用，但使用它們并沒(méi)有真正的優(yōu)勢(shì)。

 

然而，對(duì)于TTL級(jí)的輸入，TTL仍然是標(biāo)準(zhǔn)化的，因此對(duì)于TTL級(jí)的輸入，TTL仍然不兼容。在實(shí)用性方面，CMOS是明顯的贏家。

 

TTL邏輯家族使用雙極晶體管來(lái)執(zhí)行邏輯功能，CMOS使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管。盡管CMOS比TTL更靈敏，但它的功耗通常要小得多。CMOS和TTL并不是真正的可互換的，隨著低功耗CMOS芯片的出現(xiàn)，TTL在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常少。

 

 

推薦閱讀：