解析TTL与CMOS的优缺点

知道“场效应晶体管”的专利至少比双极晶体管的发明早了20年，这可能会令人惊讶。然而，双极型晶体管在商业上的普及速度更快，第一块由双极晶体管制成的芯片出现在20世纪60年代，随着MOSFET制造技术在80年代得到完善，并很快超过了双极晶体管。

1947年点接触晶体管发明后，事情开始迅速发展。第一个双极晶体管是在第二年发明的。然后在1958年，杰克·基尔比发明了第一个集成电路，在同一个芯片上安装了一个以上的晶体管。11年后，阿波罗11号登陆月球，这要归功于革命性的阿波罗制导计算机，这是世界上第一台嵌入式计算机。它是用原始的双三输入非栅集成电路制成的，每个门仅由3个晶体管组成。

这就产生了流行的TTL（晶体管-晶体管逻辑）系列逻辑芯片，它们是用双极晶体管构造的。这些芯片的工作电压为5伏，最高可运行到25兆赫。

这些很快就被肖特基箝位晶体管逻辑所取代，肖特基箝位晶体管逻辑在基极和集电极上增加了一个肖特基二极管以防止饱和，从而大大减少了存储电荷和减少了开关时间，进而减少了由存储电荷引起的传播延迟。

另一系列基于双极晶体管的逻辑是ECL（发射极耦合逻辑）系列，它在负电压下运行，与标准的TTL同类产品相比，ECL可以运行到500MHz。

大约在这个时候，CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑被引入。它同时使用N通道和P通道设备，因此名称互补。

TTL与CMOS的优缺点

第一个也是最常被谈论的是功耗-TTL比CMOS消耗更多的电能。

这在某种意义上是正确的，TTL输入只是双极晶体管的基础，双极晶体管需要一些电流来打开它，输入电流的大小取决于内部的电路。当许多TTL输入连接到一个TTL输出时，这就成了一个问题，而TTL输出通常只是一个上拉电阻或一个驱动性能较差的高压侧晶体管。

另一方面，CMOS晶体管是场效应的，换句话说，栅极处的电场足以影响半导体通道的传导。理论上，除了栅极的小漏电流（通常为皮卡或毫安量级）外，不会产生电流。然而，这并不是说即使在更高的速度下，同样的低电流消耗也是正确的。CMOS芯片的输入具有一定的电容，因此上升时间有限。为了确保在高频下上升时间很快，需要一个大电流，在MHz或GHz频率下可以达到几安培。这种电流只在输入必须改变状态时才被消耗，而TTL的偏置电流必须与信号一起存在。

在输出方面，CMOS和TTL各有优缺点。TTL输出要么是图腾柱，要么是上拉。有了图腾杆，输出只能在轨道0.5V范围内摆动。然而，其输出电流远高于CMOS芯片。同时，CMOS输出可以与电压控制电阻器相比较，根据负载情况，可以在电源轨的毫伏范围内输出。然而，两个led的输出电流往往很有限。

由于其较小的电流要求，CMOS逻辑非常适合小型化，数百万个晶体管可以封装到一个小区域，而不需要过高的电流。

与CMOS相比，TTL的另一个重要优势是其耐用性。场效应晶体管依赖于栅极和沟道之间的薄氧化硅层来提供它们之间的隔离。这种氧化层厚度为纳米，击穿电压很小，即使在高功率fet中也很少超过20V。这使得CMOS对静电放电和过电压非常敏感。如果输入是浮动的，它们会慢慢积累电荷并引起输出状态的假变化，这就是为什么CMOS输入通常被上拉、下拉或接地。TTL在很大程度上不受这个问题的影响，因为输入端是一个晶体管基极，它的作用更像一个二极管，由于它的阻抗较低，对噪声不太敏感。

TTL还是CMOS？哪个更好？

CMOS逻辑几乎在所有方面都取代了TTL。虽然TTL芯片仍然可用，但使用它们并没有真正的优势。

然而，对于TTL级的输入，TTL仍然是标准化的，因此对于TTL级的输入，TTL仍然不兼容。在实用性方面，CMOS是明显的赢家。

TTL逻辑家族使用双极晶体管来执行逻辑功能，CMOS使用场效应晶体管。尽管CMOS比TTL更灵敏，但它的功耗通常要小得多。CMOS和TTL并不是真正的可互换的，随着低功耗CMOS芯片的出现，TTL在现代设计中的应用非常少。
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