ICs lógicos TTL e CMOS: os blocos de construção de uma revolução

May 03, 2023

Ao iniciar um novo projeto de eletrônica hoje, uma das primeiras coisas que tendemos a fazer é escolher os circuitos integrados que compõem o núcleo do projeto. Isso pode ser qualquer coisa, desde um microcontrolador e vários ICs de controlador até uma pitada de MOSFETs, opamps e possivelmente alguns ICs lógicos da série 7400 ou 4000 para unir as coisas. No entanto, não faz muito tempo que esse nível de alta integração e miniaturização estava firmemente no reino da ficção científica, mesmo com os módulos NORBIT parecendo futuristas.

Começando com a construção do primeiro transistor de ponto de contato em 1947 e do transistor de junção bipolar (BJT) em 1948 no Bell Labs, o mundo da eletrônica logo veria o início de sua maior transformação até aquele ponto. No entanto, devido às interessantes circunstâncias geopolíticas do século 20, isso levou a uma situação fascinante de desenvolvimento paralelo, cópia flagrante de designs e uma das histórias mais fascinantes da história da tecnologia em ambos os lados da Cortina de Ferro.

Após a invenção do transistor, é claro que não era uma simples questão de apenas colocar alguns transistores em uma matriz de silício para criar portas lógicas, colocá-la em um pacote de plástico (ou cerâmica) e dominar o mundo da eletrônica digital.

A primeira abordagem viável para a criação de portas lógicas com transistores no início dos anos 1960 foi a lógica resistor-transistor (RTL), que limitava o número de transistores necessários. Na época, os resistores eram mais baratos e os transistores ainda eram difíceis de fabricar. Essa abordagem foi usada com o Apollo Guidance Computer, que foi construído usando portas NOR discretas baseadas em RTL de 3 entradas.

A tecnologia de circuito de lógica de diodo-transistor (DTL) concorrente tinha as vantagens de usar menos energia e permitir significativamente mais fan-in (o número de entradas suportadas em um circuito), bem como para aumentar relativamente fácil de fan-out (número de saídas) usando diodos e transistores adicionais. Uma desvantagem do DTL é que o atraso de propagação através de um circuito é relativamente longo devido à carga armazenada na região de base dos transistores.

Isso levou a várias tentativas de controlar esse problema de saturação, incluindo um capacitor adicionado, um grampo Baker e o transistor Schottky. O início dos anos 1960 viu o lançamento de chips lógicos baseados em DTL, com a série SE100 da Signetics, seguida pela Fairchild com a série DTμL (micrologic) da série 930. Após o DTL, veio a lógica transistor-transistor (TTL), que é bastante semelhante ao DTL, mas, como o nome sugere, usa apenas transistores.

Os primeiros chips micrológicos TTL produzidos comercialmente foram o Universal High-Logic Level (SUHL) da Sylvania e o sucessor da série SUHL II. A Texas Instruments (TI) introduziria a série 5400 TTL para aplicações militares em 1964, com dois anos depois a série 7400 introduzida para aplicações gerais.

Um tanto em paralelo, a lógica acoplada ao emissor (ECL) também obteve sucesso contínuo na década de 1980. A principal vantagem do ECL sobre abordagens como RTL e DTL, bem como TTL, é que o ECL é muito rápido devido à sua natureza seguidora de emissor, usando um único transistor de junção bipolar (BJT) com overdrive. O design é tal que nenhum dos transistores usados ​​está em saturação, com pequenas oscilações de tensão entre os níveis alto e baixo (0,8 V) que permitem tempos de comutação relativamente rápidos.

Embora o ECL tenha as desvantagens de exigir fontes de alimentação relativamente complicadas com baixo ruído e consumir corrente constante, suas altas velocidades de comutação o tornaram uma escolha óbvia em mainframes e outras aplicações em que a velocidade é o fator mais importante. Isso incluiu o supercomputador Cray-1, bem como uma variedade de mainframes IBM e VAX.

Isso contrasta com o desenvolvimento do MOSFET (transistor de efeito de campo de metal-óxido-semicondutor), que teve seus princípios básicos de funcionamento já propostos em 1926, mas levou muito mais tempo para ficar pronto para comercialização do que o BJT, embora os MOSFETs ofereçam vantagens significativas de tamanho e escala sobre estes. No entanto, quando a tecnologia MOS ficou pronta para produção em massa no final dos anos 1960, ela causou uma pequena revolução que permitiu não apenas os chips lógicos CMOS da série 4000 ainda comuns (introduzidos pela RCA em 1968), mas também os microprocessadores que alimentariam as residências. revolução dos computadores na década de 1970.