Wiadomości ogólne o układach logicznych (bramkach, funktorach)

Układami logicznymi (funktorami lub bramkami) są nazywane układy elektroniczne wykonujące operacje oparte na algebrze Boole’a. Układy cyfrowe możemy klasyfikować pod względem użytej technologii wytworzenia lub schematu zasadniczego podstawowego funktora. Zgodnie z powyższymi kryteriami rozróżnia się następujące układy: DTL, RTL, DCTL, TTL, ECL, MOS, CTD. Najczęściej używa się bramek wykonanych w technologii TTL i CMOS.

a. układy scalone TTL

Układy TTL, wprowadzone na początku lat sześćdziesiątych, wciąż jeszcze są najbardziej rozpowszechnioną rodziną układów logicznych bipolarnych małego i średniego stopnia scalenia. Na początku bramki TTL były wytwarzane w trzech wersjach – jako standardowa seria SN54/74, jako seria małej mocy SN54L/74L (nazywana jest w skrócie H-TTL). Modyfikacja polegała głównie na zastosowaniu innych wartości rezystancji – większych (mniej/więcej więcej rząd) w bramkach L-TTL, i mniejszych (około dwukrotnie) w bramkach H-TTL. W rezultacie zastosowanie większych rezystancji bramki L-TTL odznaczały się małą mocą zasilania (zredukowaną dziesięciokrotnie w stosunkowo bramek serii standardowej), ale przełączały się wolniej. Podobnie bramki H-TTL miały wprawdzie większy czas przełączania, ale pobierały większą moc. Najpierw ukazały się bardzo szybkie bramki z diodami Schottky’ego serii SN54S/74S zastępując bramki H-TTL, a później bramki małej mocy z diodami Schottky’ego serii SN54LS/74LS o bardzo dobrych parametrach.

b. układy scalone CMOS

Układy logiczne MOS (ang. Metal-Oxide-Semiconductor) są to, najogólniej biorąc, układy zbudowane z tranzystorów polowych MOS. W tej klasie układów logicznych, ze względu na technologię wytwarzania, rozróżnia się trzy główne grupy układów: PMOS, NMOS, CMOS. Główną zaletą NMOS w porównaniu z PMOS jest większa szybkość działania, między innymi z uwagi na większą ruchliwość elektronów niż dziur. Układy scalone unipolarne, podobnie jak układy bipolarne, są wytwarzane w krzemie technologią polarną. Najbardziej charakterystyczną cechą układów MOS jest to, że tranzystory spełniają w tych układach wszystkie funkcje elementów czynnych i biernych, są więc jedynymi elementami układów. Ponadto, w odróżnieniu od elementów w układach bipolarnych, tranzystor MOS nie wymaga specjalnej izolacji, gdyż w sposób naturalny, wynikający z istoty jego działania, jest odizolowany od innych tranzystorów wytworzonych na wspólnym podłożu. Układy MOS w porównaniu z układami bipolarnymi mają szereg zalet. Są to następujące właściwości:
 prosta technologia wytworzenia (mniejsza liczba operacji technologicznych)
 większa gęstość upakowania, gdyż tranzystor MOS zajmuje powierzchnię mniejszą niż tranzystor bipolarny (a więc tym mniejszą niż rezystor lub kondensator w układzie bipolarnym) oraz istnieje samoizolacja tranzystorów, czyli zbędne są wyspy izolacyjne, które zajmują dużo miejsca w układach bipolarnych (wyspy izolacyjne stosuje się tylko w technologii CMOS).
Te zalety technologii MOS szczególnie wyraźnie przejawiają się w układach o dużym stopniu scalenia. Pod względem wielkości elektrycznych, biorąc pod uwagę dwa podstawowe parametry, tj. moc pobieraną i szybkość działania, układy scalone MOS charakteryzują się mniejszym poborem mocy niż układy bipolarne (różnic kilku rzędów wartości), ustępują jednak układom bipolarnym pod względem szybkości działania, która jest kilkakrotnie mniejsza. Układy MOS są produkowane niemal wyłącznie jako układy o dużym stopniu scalenia.
Obecnie wytwarzany asortyment układów CMOS jest podobny do asortymentu układów bipolarnych TTL. Są produkowane serie układów CMOS, będące funkcjonalnymi zamiennikami odpowiednich układów TTL. Przykładem takiej serii jest seria 74HC. Seria 74HCT jest całkowicie kompatybilna z serią układów bipolarnych TTL-LS. Krajowa seria MCY74/64 nie daje takich możliwości ze względu na inną konfigurację wyprowadzeń. Układy MOS mają wrażliwe na przebicia ładunkiem elektrycznym. Wynika to ze względnie dużych pojemności występujących na wejściach układów. Izolowana bramka wraz z kanałem stanowi kondensator o dużej pojemności ze względu na bardzo małą odległość „okładek” kondensatora. Warstwą tlenku, izolującą bramkę, ma grubość ok. 120 nm. Napięcie wywołane przez ładunek Q zgromadzony w tym kondensatorze może osiągnąć wartość wystarczającą do przebicia warstwy tlenku i doprowadzić do zniszczenia układu. Obecnie buduje się układy, których obwody wejściowe są zabezpieczone przed przebiciem ładunkiem elektrostatycznym. Do takich należą np. układy 4000B (MCY74/64) i oczywiście nowsze serie (HC, HCT, AC, ACT).
W niektórych seriach układów CMOS stosuje się także buforowanie wejść. Układy buforowane są jednak wolniejsze od układów nie buforowanych, ale ich charakterystyka przejściowa jest zbliżona do idealnej. Seria układów użyta do pomiarów MCY74 ma buforowane zarówno wejścia jak i wyjścia.

Podstawowym kierunkiem ulepszenia układów CMOS jest zwiększenie szybkości działania. Obecnie produkowane szybkie układy CMOS mają czasy propagacji porównywalne z szybkimi układami TTL. Biorąc pod uwagę, że szybkie układy CMOS mogą sterować dużymi obciążeniami (ich prądy są nawet większe niż w TTL), dominacja tych układów nad układami TTL staje się oczywista.
Serie HC (ang. High speed CMOS) i AC (ang. Advaced CMOS) są w pełni zgodne końcówkowo, oznaczeniowo i funkcjonalnie z układami TTL. Seria HCT i ACT ponadto są kompatybilne z układami TTL-LS.
W ramach układów zaliczanych do serii HC wyróżnia się trzy serie: 74HC, 74HCT, 74HCU. Są to układy CMOS z bramką krzemową. Podstawowa seria układów HC – 74HC obejmuje układy buforowane. W układach 74HCU cechą charakterystyczną jest brak buforowania wyjść. Układy te są przeznaczone do pracy w zakresie liniowym i w układach ze sprzężeniem zwrotnym. Istotną różnicą między seriami HC i HCT polega na innym rozwiązaniu stopnia wejściowego. W układach z serii HC rezystancje tranzystorów z kanałem typu p i n są w stanie wyłączenia takie same. Dlatego typowa wartość progu przełączania układu wynosi 50% UCC. W układzie serii HCT próg przełączania jest mniejszy i wynosi1,4V (UCC=5V). W układzie tym występuje dioda przesuwająca poziom napięcia zasilania dla wejściowej pary tranzystorów.
W 1985r. firma Fairchild wypuściła na rynek serię układów ACT z oznaczeniem 74AC i 74ACT. W przypadku serii 74AC i 74ACT celem było osiągnięcie parametrów charakterystycznych dla układów TTL serii FAST z zachowaniem poboru mocy jak dla układów CMOS.