Ogólne wiadomości o układach logicznych

Układy logiczne, takie jak bramki lub funktory, to układy elektroniczne, które wykonują oparte na algebrze Boole'a operacje. Układy cyfrowe mogą być sklasyfikowane ze względu na użyta technologię wytwarzania albo zasadniczy schemat podstawowego funktora. Biorąc pod uwagę kryteria wymienione wyżej, rozróżniane są następujące układy: DTL, RTL, TTL, MOS, ECL, CTD. Najpopularniejszymi technologiami wykonywania bramek są TTL oraz CMOS.

Układy scalone TTL

Nazwa układów TTL pochodzi od Transistor - Transistor Logic. Wprowadzono je na rynek w latach sześćdziesiątych i do tej pory są najpopularniejszą rodziną bipolarnych układów logicznych o małym i średnim stopniu scalenia. Początkowo bramki TTL wytwarzane były w trzech wersjach: jako seria standardowa SN54/74, seria małej mocy SN54L/74L oraz jako seria szybkich bramek H-TTL. Modyfikacja polegała na zastosowaniu odmiennych wartości rezystancji, które były o rząd większe w bramkach L-TTL, oraz dwukrotnie mniejsze w bramkach H-TTL. Rezultatem tych poczynań było odmienne zastosowanie poszczególnych bramek w zależności od rodziny, jaką reprezentowały. Duża rezystancja bramek L-TTL odznaczała się małą mocą pobieranego zasilania, była ona dziesięciokrotnie mniejsza od standardowej serii bramek TTL, przełączały się one jednak wolniej. Bramki H-TTL pobierały dużą moc, jednak ich czas przełączania był znacznie mniejszy. W dalszym rozwoju bramek rodziny TTL wprowadzono niezwykle szybkie bramki rodziny SN54S/74S wyposażone w diody Schottk'yego, które zastąpiły bramki H-TTL. Później wprowadzono bramki małej mocy serii SN54LS/74LS również wyposażone w diody Schottky'ego charakteryzujące się bardzo dobrymi parametrami.

Układy scalone CMOS

Układy logiczne oparte na technologii MOS: Metal Oxide Semiconductor, są układami zbudowanymi z polowych tranzystorów MOS. Ze względu na technologię wytwarzania oraz rodzaje stosowanych tranzystorów do klasy tych układów logicznych zalicza się: NMOS, PMOS oraz CMOS. Główna przewaga tranzystorów z kanałem typu N, nad tranzystorami z kanałem typu P, to większa szybkość działania, która spowodowana jest większą ruchliwością elektronów w stosunku do dziur. Układy CMOS budowane są na bazie pary komplementarnych tranzystorów NMOS i PMOS. Scalone układy unipolarne, podobnie jak w wypadku układów bipolarnych, wytwarza się w krzemie technologią polarną. Jedną z najbardziej charakterystycznych cech układów MOS jest fakt spełniania przez tranzystory znajdujące się w tych układach zarówno unkcji elementów czynnych, jak i biernych, innymi słowy tranzystory MOS są jedynymi elementami występującymi w tych układach. Poza tym w odróżnieniu od układów bipolarnych tranzystory MOS nie wymagają dodatkowej izolacji, ponieważ w naturalny sposób, który wynika z natury ich działania, są odizolowane od pozostałych tranzystorów wytwarzanych na wspólnym podłożu.

W porównaniu do tranzystorów bipolarnych, tranzystory MOS wykazują szereg zalet, należą do nich prostota technologii wytwarzania, czyli mniejsza liczba technologicznych operacji, która przekłada się na znacznie mniejszą cenę końcowego układu, oraz dużo większa gęstość upakowania. Tranzystor MOS zajmuje, bowiem powierzchnię znacznie mniejszą od tranzystora bipolarnego, jest ona tym bardziej mniejsza od układu tranzystora bipolarnego wraz z rezystorem obciążającym lub kondensatorem izolującym. W przypadku tranzystorów MOS zachodzi zjawisko samoizolacji, zbędne jest, zatem tworzenie wysp izolacyjnych, które zajmują znaczną ilość miejsca w układach bipolarnych. Wyspy izolacyjne stosowane są jedynie w technologii CMOS. Wymienione zalety technologii MOS mają szczególne znaczenie przy wykonywaniu układów o dużym stopniu integracji. Jeżeli weźmiemy pod uwagę dwa podstawowe elementy elektroniczne, takie jak pobierana moc oraz szybkość działania, to otrzymamy pobór mocy o kilka rzędów wielkości mniejszy w tranzystorach MOS, w stosunku do tranzystorów bipolarnych. Te drugie są jednak z reguły szybsze od układów opartych na technologii MOS. Tranzystory MOS są obecnie najczęściej wykorzystywanym typem tranzystorów w układach scalonych.

Asortyment układów CMOS wytwarzany w chwili obecnej jest porównywalny z asortymentem bipolarnych układów TTL. Produkowane są całe serie układów CMOS, które swoją funkcjonalnością nie ustępują swoim zamiennikom z technologii TTL. Przykładem rodziny układów CMOS jest seria 74HCT, jest ona kompatybilna z serią TTL-LS bipolarnych układów logicznych. Seria MCY74/64 wytwarzana w naszym kraju nie daje tego typu możliwości, ponieważ cechuje się ona inną konfiguracją wyprowadzeń. Układy oparte na MOS są bardzo wrażliwe na przebicia ładunkami elektrycznymi, co jest powodem istnienia dużych pojemności, które występują na wejściach układów. Izolowana bramka sterująca razem z kanałem tworzą kondensator, który cechuje się dużą pojemnością za sprawą bardzo małej odległości pomiędzy okładkami kondensatora. Grubość izolującej bramkę warstwy tlenku wynosi 120mm. Napięcie, które wywołuje zgromadzony w tym kondensatorze ładunek Q pozwala na osiągnięcie wartości wystarczającej do przebicia warstwy tlenku i doprowadzenia do zniszczenia układu. W obecnych czasach budowane są układy, których obwody wejściowe zabezpiecza się przed przebiciem ładunkami elektrostatycznymi. Do układów tych należą na przykład rodzime 4000B oraz nowe serie HC, HCT, ACT, AC. Niektóre serie układów CMOS posiadają także buforowane wejścia. Układy buforowane są znacznie wolniejsze od nie buforowanych układów, których charakterystyka przejściowa zbliżona jest do idealnej. Seria, która została użyta to mierzenia MCY74 posiada buforowane wejścia i wyjścia.

Podstawowym kierunkiem w ulepszaniu układów CMOS jest zwiększenie ich szybkości działania. W obecnych czasach produkowane już są szybkie układy CMOS, których czasy propagacji są porównywalne z bardzo szybkimi układami rodziny TTL. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że szybkie układy potrafią sterować znacznymi obciążeniami, których prądy są znacznie większe niż obsługuje to standard TTL, ich dominacja nad układami bipolarnymi jest oczywista. Serie AC: Adcanced CMOS oraz HC: High Speed CMOS są zgodne oznaczeniowo, funkcjonalnie i końcówkowo z układami rodziny TTL. Ponadto serie ACT i HCT są kompatybilne z układami serii TTL - LS. Układy zaliczane do serii HC możemy podzielić na trzy serie: 74HCU, 74HCT oraz 74HC. Wszystkie one są układami CMOS z krzemową bramką. Seria podstawowa tych układów: 74HC obejmuje sobą układy buforowane. Cechą charakterystyczną układów 74HCU jest brak buforowania wejść. Układy tej serii przeznaczone są do pracy w liniowym zakresie oraz w układach ze sprzężeniem zwrotnym. Dużą różnicą pomiędzy seriami HCT oraz HC jest inne rozwiązanie stopnia wejściowego. W przypadku serii HC rezystancje tranzystorów z kanałem typu n i p w stanie wyłączenia są takie same, z tego powodu progowa wartość przełączania układu wynosi 50% napięcia zasilania. Układy serii HCT posiadają obniżony próg przełączania, który wynosi 1,4 V, przy napięciu zasilania równym 5V. W układach tej serii montuje się dodatkową diodę, która odpowiada za przesunięcie poziomu napięcia zasilania dla pary tranzystorów wejściowych. W roku 1985 firma Fairchild wyprodukowała pierwszą serię układów ACT, których oznaczenia prezentują się następująco: 74AC oraz 74ACT. Celem wyprodukowania tych serii była chęć osiągnięcia parametrów, które są charakterystyczne dla szybkich rodzin układów TTL, wraz z zachowaniem małego poboru mocy charakterystycznego dla tranzystorów CMOS.