1.3.2 Kretsteknologier

Den digitale kretsteknologien bygget som integrerte kretser har vært basert på ulike teknologier og generasjoner. De to dominerende teknologiene går under benevnelsene TTL (Transistor Transistor Logic)og CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductors). Mens TTL er bygget opp av bipolare transistorer er CMOS basert på MOS-transistorer. Hvordan disse brukes samt fordeler og ulemper med den ene typen i forhold til den andre, skal vi ta for oss videre i kapittelet.

De digitale kretsene skal ofte drive eller styre strømkrevende komponenter som releer, motorer etc, Kretsene leverer ikke særlig mye strøm og spenningene er lave. Signalene må derfor forsterkes, noe vi kan gjøre med såkalte driverkretser, også kalt bufferkretser.

Digitale kretsteknologier

To typer teknologi har stått sentralt i oppbygningen av digitale kretser:

• TTL – Transistor–Transistor Logic

• CMOS – Complementary Metal-Oxide Semiconductors

TTL er bygget opp av bipolare transistorer integrert i en IC. Bipolare transistorer er strømstyrt, det vil si at strømmen i transistorens base styrer kollektor–emitter-strømmen og -spenningen.

CMOS er bygget opp av MOSFET-transistorer (felteffekttransistorer). MOS-FET transistorene er spenningsstyrt, det vil si at spenningen på gateinngangen styrer strømmen og spenningen i utgangen.

TTL

TTL har tradisjonelt vært benyttet som integrerte digitale kretser (IC-er, Integrated Circuits) fra den kom på markedet i 1963, men er i stor grad etter hvert blitt avløst av CMOS. 

Som navnet tilsier, er det bipolare transistorer som sørger for selve virkemåten. Kretsene kjennetegnes av at de begynner med tallkombinasjonen 74, eksempelvis 7402.

TTL-kretsene er generelt robuste og meget stabile og har lang levetid.

Noen TTL-kretser har betegnelsen 54xx (den såkalte militærutgaven av TTL). Kretser med tilsvarende nummer i 74-serien er funksjonsmessig like, men 54-serien tåler lavere og høyere temperaturer og er i det hele tatt mer robust overfor ytre påkjenninger.

Eksempel på hvordan en NOG-funksjon kan realiseres ved hjelp av transistorer i en TTL-krets . Når begge transistorene er åpne (leder), dvs. logisk høyt nivå på A og B, har vi logisk lavt nivå på utgangen F.

TTL-standarder

TTL-kretser med eksempelvis nummerering 7402 kalles standard TTL. Etter hvert har utviklingen gått mot både raskere og mindre strømkrevende kretser ved blant annet å benytte Schottky-dioder over transistorene. På den måten unngår man at transistorene går i metning, og kretsene blir både raskere og mindre strømkrevende. Disse kretsene har eksempelvis betegnelsen 74LS02, der LS står for Low power Schottky. For øvrig har TTL-kretsene blitt videreutviklet med ulike egenskaper, og de forskjellige variantene/familiene har fått hver sin betegnelse. Her er en oversikt (ikke fullstendig):

CMOS

CMOS er den andre hovedgruppen halvlederteknologi som benyttes i integrerte kretser. CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) eller komplementær CMOS er basert på MOS-teknologi, det vil si MOSFET-transistorer, N-kanal og P-kanal.

Hovedforskjellen er at strømretningen er motsatt for de to typene. MOS-transistorer er spenningsstyrte, slik det også fremgår av tegningssymbolet. Det er ingen ledende forbindelse mellom inngang og utgang, og det er spenningen på gate (G) som bestemmer om transistoren skal lede (positiv gate-spenning for P-kanal og negativ gate-spenning for N-kanal. Med komplementær menes at det benyttes to komplementære transistorer, det vil si elektronisk like, men med motsatt strømretning.

CMOS-kretsene er merket med 4xxx, f.eks., 4000. Noen CMOS er merket 74HCxx. Dette er TTL-kompatible CMOS, som kan kobles sammen med eller erstatte TTL-kretser.

Fordeler og bruk med CMOS

• Siden CMOS er spenningsstyrt, bruker disse kretsene generelt mindre strøm enn tilsvarende bipolare kretser (som TTL). Kondensatorvirkningen mellom gate og source/drain gjør imidlertid at strømforbruket øker ved økende signalfrekvens.

• I motsetning til TTL, som kun kan benytte 5 V driftsspenning, kan CMOS operere med driftsspenninger mellom 3 og 18 V.

• CMOS-teknologien benyttes både i portkretser, minnekretser, mikroprosessorer og mikrokontrollere.

• En ulempe med CMOS i forhold til TTL er større følsomhet for statisk elektrisitet, som man må ta hensyn til ved håndtering av CMOS-komponenter.

Datablad TTL-krets NOG-port 74LS00

Databladet viser en IC som inneholder fire NOG-enkeltporter. Her finner du alle nødvendige fysiske og elektroniske data om komponenten.

Klikk på linken:

http://freedatasheets.com/downloads/74LS00.pdf

Datablad CMOS-krets NELLER-port 4000

Databladet viser en IC som inneholder fire NELLER-enkeltporter. Her finner du alle nødvendige fysiske og elektroniske data om komponenten.

Klikk på linken:

http://www.cmos4000.com/media/cmos/ic-cmos-4000.pdf