Circuiti integrati logici TTL e CMOS: gli elementi costitutivi di una rivoluzione

May 03, 2023

Quando oggi iniziamo un nuovo progetto di elettronica, una delle prime cose che tendiamo a fare è scegliere i circuiti integrati che costituiscono il nucleo del progetto. Può trattarsi di qualsiasi cosa, da un microcontrollore e vari circuiti integrati di controllo a una manciata di MOSFET, amplificatori operazionali e possibilmente alcuni circuiti integrati logici della serie 7400 o 4000 per collegare insieme il tutto. Eppure non è passato molto tempo da quando questo livello di elevata integrazione e miniaturizzazione era saldamente nel regno della fantascienza, con persino i moduli NORBIT che sembravano futuristici.

A partire dalla costruzione del primo transistor a punto di contatto nel 1947 e del transistor a giunzione bipolare (BJT) nel 1948 presso i Bell Labs, il mondo dell'elettronica avrebbe presto visto l'inizio della sua più grande trasformazione fino a quel momento. Tuttavia, a causa delle interessanti circostanze geopolitiche del 20° secolo, ciò ha portato a un’affascinante situazione di sviluppo parallelo, palese copiatura di progetti e una delle storie più affascinanti nella storia della tecnologia su entrambi i lati della cortina di ferro.

Dopo l'invenzione del transistor, ovviamente non si è trattato semplicemente di inserire alcuni transistor su un die di silicio per creare porte logiche, inserirlo in un contenitore di plastica (o ceramica) e conquistare il mondo dell'elettronica digitale.

Il primo approccio praticabile per creare porte logiche con transistor all'inizio degli anni '60 era la logica resistore-transistor (RTL), che limitava il numero di transistor necessari. All’epoca, i resistori erano più economici e i transistor erano ancora difficili da realizzare. Questo approccio è stato utilizzato con l'Apollo Guidance Computer, che è stato costruito utilizzando porte NOR basate su RTL a 3 ingressi discreti.

La tecnologia dei circuiti DTL (diodo-transistor logico) concorrente presentava il vantaggio di utilizzare meno energia e di consentire un fan-in significativamente maggiore (il numero di ingressi supportati in un circuito), nonché un aumento relativamente semplice del fan-out (numero di uscite) utilizzando diodi e transistor aggiuntivi. Uno svantaggio del DTL era che il ritardo di propagazione attraverso un circuito è relativamente lungo a causa della carica immagazzinata nella regione di base dei transistor.

Ciò ha portato a una serie di tentativi per controllare questo problema di saturazione, tra cui l'aggiunta di un condensatore, una pinza Baker e il transistor Schottky. I primi anni '60 videro il rilascio di chip logici basati su DTL, con la serie SE100 di Signetics, seguita da Fairchild con la serie DTμL (micrologica) della serie 930. Dopo il DTL c'era la logica transistor-transistor (TTL), che è abbastanza simile al DTL, ma come suggerisce il nome, utilizza solo transistor.

I primi chip micrologici TTL prodotti commercialmente furono l'Universal High-Logic Level (SUHL) di Sylvania e la serie successiva SUHL II. Texas Instruments (TI) introdurrà la serie 5400 TTL per applicazioni militari nel 1964, con due anni dopo l'introduzione della serie 7400 per applicazioni generali.

In un certo senso in parallelo, anche la logica accoppiata agli emettitori (ECL) ha avuto un successo continuo negli anni '80. Il vantaggio principale dell'ECL rispetto ad approcci come RTL, DTL e TTL è che l'ECL è molto veloce grazie alla sua natura che segue l'emettitore e utilizza un singolo transistor a giunzione bipolare overdrive (BJT). Il design è tale che nessuno dei transistor utilizzati è mai in saturazione, con piccole oscillazioni di tensione tra i livelli alto e basso (0,8 V) che consentono tempi di commutazione relativamente rapidi.

Sebbene l'ECL presenti gli svantaggi di richiedere alimentatori relativamente complicati con basso rumore e di assorbire corrente costante, le sue elevate velocità di commutazione lo hanno reso una scelta ovvia nei mainframe e in altre applicazioni in cui la velocità era il fattore più importante. Ciò includeva il super computer Cray-1, nonché una gamma di mainframe IBM e VAX.

Ciò contrasta con lo sviluppo del MOSFET (transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore), che vide i suoi principi di funzionamento di base già proposti nel 1926, ma impiegò molto più tempo per essere pronto per la commercializzazione rispetto al BJT, anche se i MOSFET offrono vantaggi significativi in ​​termini di dimensioni e scalabilità rispetto a questi. Tuttavia, quando la tecnologia MOS divenne pronta per la produzione di massa alla fine degli anni ’60, causò una piccola rivoluzione che rese possibile non solo gli ancora comuni chip logici CMOS serie 4000 (introdotti dalla RCA nel 1968), ma anche i microprocessori che avrebbero alimentato le apparecchiature domestiche. rivoluzione informatica degli anni ’70.