¿Las familias lógicas como TTL y CMOS representan solo una estructura lógica diferente? ¿O también usan diferentes tipos de transistores? Los últimos chips de microprocesador con millones de componentes utilizan CMOS. ¿Es solo porque la "lógica operativa" CMOS es superior o también porque la familia CMOS usa transistores completamente diferentes?
Hasta ahora entendí que hay transistores que se usan en circuitos analógicos y hay pequeños que se usan en chips IC. ¿Supongo que los transistores de nivel TTL de uso analógico?
Los transistores en los circuitos integrados utilizan muchas familias lógicas diferentes, como TTL y CMOS. Entonces, ¿hay diferentes fabricantes de transistores para todos estos?
Aquí hay una respuesta terriblemente incompleta:
Al dopar, oxidar, metalizar una rebanada de silicio, puede crear en la superficie varios tipos de componentes: cables, transistores bipolares (también conocidos como BJT), transistores de óxido de metal (también conocidos como MOS), resistencias, inductores, condensadores... (pero a menudo es más fácil crear un transistor que estos componentes pasivos).
Los componentes se crean a la vez aplicando patrones y exponiendo el troquel. Los transistores no son 'elegir y colocar', incluso para circuitos integrados analógicos.
Los transistores bipolares utilizados en las puertas TTL están 'controlados por corriente' y funcionan de manera muy diferente a los transistores MOS que están 'controlados por voltaje'.
TTL (lógica de transistor a transistor) se define tradicionalmente como niveles lógicos y características de E/S, que eran (en los años 70 y 80) óptimos para los transistores bipolares que funcionan con una fuente de alimentación de 5 V. Ahora es posible construir chips con transistores MOS compatibles con los niveles lógicos TTL.
Las puertas lógicas se pueden crear con transistores bipolares y MOS, pero, hoy en día, MOS se usa casi exclusivamente para crear circuitos lógicos como microprocesadores, memorias...
Los transistores bipolares (y j-fets) se utilizan actualmente principalmente en componentes analógicos (por ejemplo, amplificadores operacionales).
Es posible mezclar bipolar y MOS en una sola matriz, pero el número adicional de pasos y restricciones hace que la tecnología sea más costosa y reservada para componentes especiales (para la historia, el primer Pentium usó BiCMOS que combina bipolar y CMOS, esta tecnología es hoy en día utilizado para componentes de señal analógica o mixta como ADC/DAC)
La lógica TTL usa transistores bipolares y la lógica CMOS usa, bueno, transistores CMOS. La estructura de las puertas también es bastante diferente entre los dos, ya que los dos tipos de transistores son muy diferentes y, por lo tanto, deben usarse de manera diferente.
Cada familia lógica tiene diferentes circuitos para la misma función (por ejemplo, una puerta AND), ya que cada uno era un avance de la tecnología anterior.
The earliest logic families used bipolar junction transistors. Some examples are:
RTL (1963) - resistor transistor logic (used in the Apollo Guidance Computer)
DTL (1962) - diode transistor logic (used in the Minuteman II Guidance Computer)
ECL (1962) - emitter coupled logic (faster, used in the IBM 7030 Stretch Computer)
TTL - transistor-transistor logic (the most popular logic family prior to CMOS)
74xx (1964) - original TTL line (also 54xx for military)
74Sxx (1969) - used Schottky transistors for speed
74Lxx (1964) - low power
74LSxx (1976) - low power Schottky
74ALSxx (1976) - advanced low power Schottky
74Fxx (1979) - fast than normal Schottky
The following families used CMOS transistors:
CMOS - complementary metal–oxide–semiconductor logic
CMOS (1970) - CD4000 series
CMOS HC (1982) - high speed CMOS, used same pinouts as 74LS family
CMOS HCT (1982) - CMOS logic but as TTL logic levels (made combining them possible)
CMOS tiene la ventaja sobre el bipolar en que no usa energía excepto cuando cambia de 0 a 1 y viceversa. El uso de transistores CMOS ha hecho posible meter millones o incluso miles de millones de transistores en un solo chip sin necesidad de refrigeración.
Los circuitos integrados más populares están hechos por al menos dos fabricantes (y en muchos casos varios); esto se denomina segundo abastecimiento y es requerido por las grandes empresas y el ejército para garantizar que las piezas estén disponibles. Sin embargo, a veces los chips son fabricados por un solo fabricante y es algo arriesgado incorporarlos en un diseño.
Los circuitos integrados analógicos pueden usar transistores bipolares o CMOS, el que sea más adecuado para la tarea. De ninguna manera están limitados a los suministros de voltaje utilizados por varias familias lógicas, ya sea TTL o de otro tipo. Además, no es raro que tengan un suministro negativo, por ejemplo, ±15v.
La principal diferencia entre analógico y digital, es que este último opera en dos niveles solamente, 1 y 0. Por esta razón, los transistores están completamente apagados o encendidos, el último se llama saturado. Mientras que los transistores en los circuitos analógicos generalmente operan en lo que se llama la región "activa" entre encendido y apagado.
Hay más en los transistores que solo el tipo básico (MOSFET vs. JFET vs. BJT). CMOS, por definición, involucra dos tipos de MOSFET (canal P y canal N). Y no todos los transistores del mismo tipo serán idénticos. Por ejemplo, los microcontroladores en los que trabajo usan dos voltajes: 3,3 V para las E/S y 1,2 V para la lógica central. Los transistores centrales son más pequeños y tienen óxidos de puerta más delgados porque no necesitan manejar tanto voltaje. En los circuitos analógicos, también es común cambiar la relación entre ancho y largo.
Los MOSFET no son ideales para circuitos analógicos porque tienen una capacitancia de puerta alta y una transconductancia baja. Pero son mejores en circuitos digitales porque la lógica CMOS no consume energía de CC[1]. Además, resultó ser muy fácil reducir los MOSFET y, en lógica, más transistores siempre ganan. En los circuitos integrados de señal mixta como los microcontroladores, los circuitos analógicos pueden usar transistores CMOS solo porque eso es lo que está disponible. (Agregar BJT significaría un montón de pasos de procesamiento adicionales, lo que cuesta dinero). Además de la lógica, los MOSFET también se usan para cambiar corrientes grandes debido a su baja resistencia de encendido.
Los BJT tienen una transconductancia más alta, pero requieren una corriente base para funcionar. En los circuitos integrados puedes hacer cosas raras como tener un BJT con múltiples emisores o colectores, pero no creo que puedas obtener dispositivos discretos como ese.
Los JFET son una especie de término medio, con una transconductancia media pero una corriente de base mínima. Se usan comúnmente para hacer las etapas de entrada de los amplificadores operacionales.
En todos los casos, los transistores se pueden hacer de manera diferente para lograr el manejo de voltaje y corriente requerido, la velocidad de conmutación, etc.
[1] Esta es una ventaja histórica. Los transistores CMOS modernos con longitudes de puerta inferiores a 100 nm tienen corrientes de fuga de CC significativas. En los procesos más nuevos, esto puede ser algo así como la mitad del consumo total de energía del chip.
Ignacio Vázquez-Abrams