Cenni sulle famiglie logiche TTL e CMOS  

1. Generalità

I dispositivi digitali vengono suddivisi in famiglie logiche ciascuna delle quali differisce dalle altre per la tecnologia utilizzata e per il circuito di base con cui si realizzano le porte logiche.

Nell'ambito della stessa famiglia logica vi sono diverse serie atte a migliorare alcune caratteristiche elettriche rispetto ad altre.

Le famiglie logiche più utilizzate sono la TTL (Transistor -Transistor Logic) e la CMOS (Complementary MOS).

La prima prende il nome di TTL per la presenza di transistor sia nello stadio di ingresso che di uscita.

La seconda si chiama CMOS perché fa uso di MOSFET (Transistor ad Effetto di Campo MOS, Metallo Ossido Semiconduttore).

2. Famiglia logica TTL

Tutti i circuiti integrati della famiglia logica TTL sono alimentati con Vcc=+5V, sono caratterizzati da un numero di serie che ha, come cifre iniziali, 74 (serie commerciale che funziona tra 0 e 70°C) o 54 (serie militare che funziona tra -55 e +125°C).

I livelli di tensione da applicare in ingresso sono:

• V_IL compreso tra 0 e +0.8V per il riconoscimento del livello logico basso;
• V_IH compreso tra +2V e +5V per il riconoscimento del livello logico alto.

I valori di tensione compresi tra 0.8V e 2V individuano una zona di indeterminazione che è bene non utilizzare.

I livelli di tensione che si ottengono in uscita sono:

• V_OL compreso tra 0 e 0.4V con corrente di sink I_OL<16mA
• V_OH compreso tra 2.4V e circa 4V con corrente di source I_OH< 400µA.

Fig.1 Disposizione di un NOT TTL per la valutazione della tensione e corrente di ingresso e di uscita.

In fig.1 si mostra una porta NOT pilotata con un generatore di tensione che fornisce in ingresso una tensione V₁ = V_IL e V₂ = V_IH e i relativi versi delle correnti I_IL, I_IH, I_OH, I_OL. Sono indicate, inoltre, le tensioni di uscita V_OH e V_OL.

Si riportano nella tabella 1 le caratteristiche più importanti delle diverse serie della famiglia logica TTL ricordando che:

L è la serie a basso consumo (Low power), ormai obsoleta;

S è la serie che impiega i veloci transistor Schottky;

LS è la serie che riunisce le due precedenti caratteristiche (Low power Schottky);

AS è la serie S tecnologicamente Avanzata;

ALS è la serie LS tecnologicamente Avanzata.

Tabella 1

3. Famiglia logica CMOS

I circuiti integrati appartenenti alla famiglia logica CMOS (Complementary MOS) utilizzano al loro interno transistor MOSFET  a canale N ed a canale P, quindi di tipo complementare.
La caratteristica fondamentale di un componente CMOS è la ridottissima potenza dissipata in condizioni statiche: circa 10nW per porta logica e un ampio intervallo di valori di tensione di alimentazione: da 3V a 15V.
In commercio sono disponibili diverse serie della famiglia logica CMOS che di seguito si elencano:

• CD4000 ormai obsoleta;
• 74C compatibile, nella piedinatura, ai corrispondenti integrati della famiglia logica TTL;
• 74HC e 74HCT come la precedente ma con tempi di propagazione ridotti (intorno a 10-15ns) e valori di alimentazione da 2V a 6V (HC) e 5V (HCT)
• 74AHC simile alla famiglia HC ma con prestazioni "Avanzate".

L'uso dei dispositivi CMOS impone l'osservanza di alcune regole:

• La tensione applicata in ingresso deve essere compresa tra 0 e Vcc;
• I piedini di ingresso non devono essere mai inutilizzati: essi vanno collegati al livello logico alto o basso;
• Il terminale di uscita può essere collegato direttamente a massa o all'alimentazione senza il pericolo di avarie poiché lo stadio di uscita è di tipo resistivo, cioé si può assimilare ad un generatore di tensione avente in serie una resistenza;
• La tensione di soglia di commutazione è circa la metà della tensione di alimentazione applicata.

I livelli di tensione da applicare in ingresso sono:

• V_IL compreso tra 0 e +Vcc/3 per il riconoscimento del livello logico basso;
• V_IH compreso tra +2Vcc/3  e +Vcc per il riconoscimento del livello logico alto.

I valori di tensione compresi tra Vcc/3 e 2Vcc/3 individuano una zona di indeterminazione che è bene non utilizzare.

I livelli di tensione che si ottengono in uscita, in assenza di carico applicato, sono:

• V_OL = 0 ;
• V_OH = Vcc.

Le correnti di ingresso I_IL e I_IH sono praticamente nulle perchè l'ingresso dei transistor MOSFET presenta resistenza infinita.
Le correnti di uscita I_OL e I_OH dipendono dalla particolare serie CMOS utilizzata e comunque generalmente non superano il valore di alcuni milliampere.

4. Le moderne famiglie logiche

In questi ultimi anni si sono rese disponibili sul mercato numerose altre famiglie logiche molto più efficienti della classica TTL e della classica CMOS serie 4000 e serie 74C.

Le tecnologie utilizzate per queste nuove famiglie logiche sono ancora di tipo CMOS e di tipo BICMOS (transistor bipolari e CMOS) aventi, come caratteristiche particolarmente interessanti, un ridottissimo autoconsumo ed elevata frequenza di funzionamento. In particolare, si citano le famiglie logiche a bassa tensione di alimentazione (famiglie logiche Low Voltage), tipicamente a +3.3V, con elevati valori di corrente di carico e compatibili con i livelli logici delle famiglie alimentate a +5V.

In fig.2 si mostra un grafico che illustra la posizione occupata, dalle varie famiglie logiche, nel tipico ciclo di vita in cui si evidenzia una fase di introduzione, una di crescita, una di maturità, una di declino e l’ultima di obsolescenza.

La figura è tratta dalla documentazione fornita dalla Texas Instruments.

Dalla figura si nota che le nuove famiglie logiche hanno una tecnologia di tipo CMOS o BICMOS e sono a bassa tensione. Le sigle riportate hanno il seguente significato:

LV – Low Voltage CMOS.

ALV – Advanced Low Voltage CMOS

ABT – Advanced BICMOS Technology

Le cause che hanno spinto i costruttori a realizzare famiglie logiche alimentate con bassi valori di tensione sono sostanzialmente riassunte nei seguenti punti:

• La riduzione orizzontale e verticale della geometria del wafer dei moderni dispositivi integrati a semiconduttori richiede una più bassa tensione di alimentazione pena la possibilità di breakdown dell'ossido del MOS. Ciò potrebbe rendere il dispositivo inutilizzabile.

• I costruttori di apparecchi elettronici alimentati a pile chiedono componenti elettronici a bassa dissipazione di potenza. La potenza consumata, come è noto, dipende dai carichi elevati, è direttamente proporzionale alla frequenza di lavoro, ed è proporzionale al quadrato della tensione di alimentazione.

• Il ridotto consumo di potenza riscalda di meno i componenti e ciò consente di evitare l'uso di ingombranti e costosi dissipatori di calore e permette la realizzazione di dispositivi a maggior grado di integrazione.

Fig.2 Stato attuale delle famiglie logiche nel ciclo di vita.

Le caratteristiche elettriche delle famiglie logiche a bassa tensione di alimentazione sono sostanzialmente simili a quelle delle corrispondenti famiglie logiche alimentate a 5V. Se ne riportano alcune in tabella 2.

Tabella 2  

In fig.3 si riportano i livelli di tensione di ingresso, uscita e della soglia di commutazione delle famiglie logiche a bassa tensione e delle famiglie logiche a 5V TTL e CMOS.

Fig.3 Confronto dei livelli delle famiglie logiche a bassa tensione con quelli delle famiglie TTL e CMOS a 5V.

 
Tralasciando la descrizione delle altre caratteristiche elettriche e degli schemi interni, concludiamo questa nota riportando, nella successiva fig.4, un grafico che individua la posizione delle varie famiglie logiche in un piano avente per assi la corrente di alimentazione e il tempo di ritardo di propagazione. Una buona famiglia logica deve potersi collocare nelle immediate vicinanze dell'origine degli assi, posizione occupata dalle tecnologie ACL, BCT e ABT.

Si consideri, infine, che queste nuove famiglie logiche non contengono tutti i circuiti logici come la TTL; alcune sono specializzate come bus driver e quindi annoverano integrati con array di buffer invertenti o non invertenti con uscite tristate o array di flip-flop D anch'essi con uscita tristate.

Fig.4

5. Famiglia logica AHC

La famiglia logica CMOS ad alta velocità in tecnologia avanzata (AHC) è una delle ultime apparse sul mercato ed unisce alla bassa potenza dissipata, tipico della CMOS, una elevata velocità di funzionamento.
La famiglia logica AHC consiste di porte logiche elementari, di integrati della media scala e di dispositivi ottali (driver e flip-flop per collegamenti a bus a 8 bit).
La famiglia logica AHC è quasi tre volte più veloce della HC poichè il tipico tempo di ritardo di propagazione è di circa 5.2ns, presenta bassi valori di rumore, non presenta problemi di overshoot e di undershoot, dissipa una potenza  inferiore rispetto alla HC, presenta una capacità di carico di 8mA per Vcc=5V e 4mA per Vcc=3.3V.
Si mostra nella tabella 3 i valori del tempo di ritardo di propagazione di alcuni tipici dispositivi della famiglia logica AHC comfrontati con quelli della famiglia logica HC.

Tabella 3

La potenza dissipata da un dispositivo CMOS dipende da tre fattori:

• potenza dissipata a riposo P_q (quiescient power)

• potenza dissitapa in transitorio P_t (transient power)

• potenza dissipata capacitiva P_c (capacitive power)

La potenza dissipata a riposo P_q dipende dalla tensione di alimentazione V_cc e dalla corrente I_cc che scorre a riposo nel dispositivo. In formule si ha:

P_q = V_cc x I_cc

Poichè I_cc è molto bassa, P_q è spesso trascurabile.

La potenza dissipata in transitorio P_t dipende dalla corrente che fluisce nei transistor interni quando essi commutano da un livello logico all'altro. Durante questo tempo i due transistor dello stadio finale sono parzialmente in conduzione e ciò produce un piccolo spike di corrente che viene ripetuto, in un secondo, un numero di volte pari alla frequenza  f_i di input. L'intensità di corrente dipende dalla tensione di alimentazione V_cc e la potenza dissipata, quindi, dal quadrato della corrente. La durata di ciascuno di questi spikes dipende anche dalla rapidità di commutazione dei transistor e quindi dalla capacità parassita C_pd (power dissipation capacitance). In formule si ha:

P_t = C_pd x V_cc² x f_i

La potenza dissipata capacitiva P_c dipende dalla carica e dalla scarica di capacità esterne C_L e dipende dalla frequenza di commutazione f_o secondo la formula:

P_c = C_L x V_cc² x f_o