Familii de circuite integrate
Circuitele logice integrate sunt realizate în diverse familii tehnologice, fiecare cu caracteristici specifice de viteză, consum, imunitate la zgomot și densitate de integrare. Cele mai importante familii sunt TTL (Transistor-Transistor Logic) și CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor).
Familia TTL (Transistor-Transistor Logic)
Familia TTL utilizează tranzistoare bipolare și a fost timp de decenii standardul industriei digitale. Tensiunea nominală de alimentare este V_CC = 5 V.
Parametri electrici fundamentali
| Parametru | Semnificație | Valoare tipică TTL standard |
|---|---|---|
| V_IH | Tensiunea minimă recunoscută ca nivel logic HIGH la intrare | 2,0 V |
| V_IL | Tensiunea maximă recunoscută ca nivel logic LOW la intrare | 0,8 V |
| V_OH | Tensiunea minimă la ieșire pentru nivel logic HIGH | 2,4 V |
| V_OL | Tensiunea maximă la ieșire pentru nivel logic LOW | 0,4 V |
| Fan-out | Numărul maxim de intrări TTL care pot fi conectate la o ieșire | 10 |
| t_pd | Timp de propagare (propagation delay) | 10 ns |
Marjele de zgomot: Marja pentru nivel HIGH = V_OH - V_IH = 2,4 - 2,0 = 0,4 V. Marja pentru nivel LOW = V_IL - V_OL = 0,8 - 0,4 = 0,4 V. Aceste marje reprezintă zgomotul maxim tolerat fără a afecta funcționarea corectă.
Subfamilii TTL
Familia TTL a evoluat în mai multe subfamilii, fiecare optimizând un compromis între viteză și consum:
| Subfamilie | Prefix | t_pd tipic | Consum/poartă | Caracteristici |
|---|---|---|---|---|
| Standard | 74xx | 10 ns | 10 mW | Referință istorică |
| Low-power Schottky (LS) | 74LSxx | 9 ns | 2 mW | Cel mai utilizat; consum redus cu viteză similară |
| Advanced Low-power Schottky (ALS) | 74ALSxx | 4 ns | 1 mW | Îmbunătățire semnificativă a LS |
| Fast (F) | 74Fxx | 3 ns | 4 mW | Cea mai rapidă subfamilie TTL |
Subfamilia 74LS (Low-power Schottky) a fost cea mai răspândită în practică, oferind un compromis excelent între consum de putere și timp de propagare. De exemplu, decodificatorul 74LS138 (DCD 3:8) este frecvent utilizat în circuitele de extindere a memoriilor.
Familia CMOS (Complementary MOS)
Familia CMOS utilizează perechi complementare de tranzistoare NMOS și PMOS. Principalul avantaj este consumul de putere extrem de redus în regim static.
Structura de bază
Inversorul CMOS conține un tranzistor PMOS (conectat la V_DD) și un NMOS (conectat la masă). Într-o stare stabilă, unul din tranzistoare este blocat, astfel curentul static prin circuit este practic zero (doar curenți de scurgere, de ordinul nA). Consumul crește doar în timpul comutației, fiind proporțional cu frecvența de lucru.
Avantaje CMOS
- Consum static aproape nul — ideal pentru aplicații alimentate de la baterie
- Densitate de integrare foarte mare — permite realizarea circuitelor VLSI (microprocesoare, memorii)
- Plajă largă de tensiuni de alimentare — tipic 3 V … 15 V (seria 4000) sau 2 V … 6 V (seria HC)
- Imunitate ridicată la zgomot — marje de zgomot mai mari decât la TTL
- Fan-out mare — intrările CMOS au impedanță foarte mare (gate MOS)
Subfamilii CMOS
| Subfamilie | Prefix | Alimentare | Compatibilitate TTL | Observații |
|---|---|---|---|---|
| Seria 4000 | CD4xxx | 3–15 V | Nu | Prima generație CMOS, lentă |
| High-speed CMOS (HC) | 74HCxx | 2–6 V | Niveluri CMOS | Viteză comparabilă cu LS-TTL |
| High-speed CMOS TTL-compatible (HCT) | 74HCTxx | 5 V | Da — intrări compatibile TTL | Înlocuitor direct pentru 74LS |
| Advanced CMOS TTL-compatible (ACT) | 74ACTxx | 5 V | Da | Viteză superioară, consum redus |
Comparație TTL vs CMOS
| Criteriu | TTL (74LS) | CMOS (74HC) |
|---|---|---|
| Consum static | ~2 mW/poartă | ~10 nW/poartă |
| Consum dinamic | Aproximativ constant | Crește cu frecvența |
| Viteză (t_pd) | ~9 ns | ~8 ns |
| Imunitate la zgomot | 0,4 V | ~1,5 V (la V_DD = 5 V) |
| Alimentare | 5 V ± 5% | 2–6 V |
| Fan-out | 10 (standard) | Foarte mare (limitat de capacitate) |
| Densitate integrare | Medie | Foarte mare |
| Tehnologie dominantă | Circuite discrete, interfețe | Microprocesoare, memorii, VLSI |
Observație importantă: La frecvențe joase, CMOS are consum mult mai mic decât TTL. La frecvențe foarte ridicate (>50 MHz), consumul dinamic CMOS poate depăși pe cel al TTL.
Interfațarea între familii
Când se combină circuite TTL și CMOS în același sistem, este necesară interfațarea pentru a asigura compatibilitatea nivelurilor logice:
TTL → CMOS (la V_DD = 5 V)
Problema: ieșirea HIGH a TTL (V_OH ≥ 2,4 V) poate fi insuficientă pentru intrarea CMOS (V_IH ≈ 3,5 V). Soluție: se utilizează un rezistor de pull-up (R_p ≈ 1–10 kΩ) conectat la V_DD.
CMOS → TTL
Problema: ieșirea CMOS trebuie să furnizeze curentul de intrare cerut de TTL. Subfamiliile HC/HCT pot comanda direct intrări LS-TTL fără circuite suplimentare. Seria 4000 poate necesita buffere.
Exemplu practic
Într-un sistem de extindere a memoriilor, se poate înlocui decodificatorul 74LS138 (TTL) cu echivalentul 74HCT138 (CMOS compatibil TTL) pentru reducerea consumului, fără modificări ale schemei electrice, deoarece subfamilia HCT acceptă niveluri de intrare TTL.
Puncte cheie pentru examen
- TTL folosește tranzistoare bipolare, alimentare fixă la 5 V; CMOS folosește tranzistoare MOS complementare, alimentare variabilă
- Parametrii de referință: V_IH, V_IL, V_OH, V_OL definesc nivelurile logice garantate
- Fan-out = numărul maxim de intrări care pot fi comandate de o ieșire
- CMOS are consum static aproape nul și densitate de integrare superioară — de aceea domină tehnologiile moderne (microprocesoare, memorii)
- Subfamilia 74HCT este compatibilă pin-la-pin cu 74LS și acceptă niveluri TTL la intrare
- Marjele de zgomot CMOS (~1,5 V) sunt semnificativ mai mari decât cele TTL (~0,4 V)
- Interfațarea TTL → CMOS necesită de regulă un rezistor de pull-up