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Logique CMOS vs TTL : les différences expliquées

La TTL (transistor-transistor logic) construit ses portes à partir de transistors bipolaires et a été la famille numérique standard à partir des années 1960. La CMOS construit ses portes à partir de transistors MOS complémentaires et l'a depuis remplacée presque partout. La grande différence est la consommation : une porte CMOS ne consomme presque aucun courant lorsqu'elle ne commute pas, tandis qu'une porte TTL consomme du courant en permanence. La CMOS tolère aussi une large plage d'alimentation, offre des marges de bruit plus grandes et peut être intégrée par milliards sur une puce.

CritèreTTLCMOS
TransistorsTransistors bipolaires, avec des transistors d'entrée multi-émetteursTransistors nMOS et pMOS complémentaires
Consommation statiqueÉlevée : le courant circule même au reposTrès faible : uniquement le courant de fuite
Tension d'alimentationFixe à 5 V (environ plus ou moins 5 pour cent)Large plage, d'environ 1 V à 15 V selon la famille
Niveaux logiquesBas jusqu'à environ 0.8 V et haut à partir d'environ 2.0 VEnviron 30 pour cent et 70 pour cent de la tension d'alimentation
Marge de bruitFaible (environ 0.4 V)Grande (environ 30 pour cent de l'alimentation)
Excursion de sortieN'atteint pas complètement les rails d'alimentationExcursion complète entre la masse et l'alimentation
EntréesConsomment du courant ; une entrée non connectée flotte à l'état hautNe consomment presque aucun courant, mais les entrées inutilisées doivent être reliées à un niveau
VitesseRapide pour son époque (familles 74S, 74F)Égale ou supérieure dans les familles modernes
Densité d'intégrationFaible, en raison de sa consommationTrès élevée : la base du VLSI
Usages typiquesSystèmes anciens, enseignement et équipements anciensPresque toutes les puces numériques modernes, y compris les processeurs et les mémoires

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

TTL
Se rencontre surtout dans les conceptions anciennes et lors de la réparation d'équipements anciens.
CMOS
Le choix pour pratiquement toute nouvelle conception numérique.
Mixte
Certaines familles CMOS (comme la 74HCT) acceptent les niveaux d'entrée TTL et peuvent donc se connecter à d'anciens composants TTL.

Questions fréquentes

Pourquoi la CMOS consomme-t-elle moins que la TTL ?

Une porte CMOS ne consomme presque aucun courant lorsqu'elle ne commute pas, car l'un de ses deux transistors complémentaires est toujours bloqué. Une porte TTL consomme du courant en permanence.

Que signifie 74HCT ?

C'est une famille CMOS dont les niveaux d'entrée sont compatibles TTL, si bien qu'elle peut être connectée à d'anciens composants TTL.

Faut-il connecter les entrées CMOS inutilisées ?

Oui. Les entrées CMOS ne consomment presque aucun courant : une entrée non connectée flotte et peut provoquer un comportement erratique et une consommation supplémentaire. Reliez-la à la masse ou à l'alimentation.

La TTL est-elle encore utilisée ?

Rarement. On la trouve dans des conceptions et des équipements anciens, tandis que presque toutes les puces numériques modernes utilisent la CMOS.

Vérifier vos connaissances

Quelle famille de circuits logiques typique est réalisée avec des transistors bipolaires ?

  1. ATTL
  2. BCMOS série 4000
  3. CLogique NMOS
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Réponse : A. TTL

La TTL (Transistor-Transistor Logic) est une famille de circuits logiques utilisant en entrée des transistors bipolaires multi-émetteurs ; à partir des années 1960, elle est devenue la norme des circuits numériques sous la forme de la série 7400. Alimentée en 5 V, elle interprète une entrée inférieure à environ 0,8 V comme L et supérieure à environ 2 V comme H. Consommant du courant même au repos, elle a été supplantée par le CMOS, mais elle survit dans les logiques CMOS à entrées compatibles TTL comme la 74HCT.

Pourquoi la consommation statique (en régime établi) d’un inverseur CMOS est-elle faible ?

  1. AParce que la tension d’alimentation est élevée
  2. BParce qu’un courant circule en permanence dans la grille
  3. CParce que, que l’entrée soit à 0 ou à 1, l’un des deux transistors pMOS ou nMOS est bloqué et pratiquement aucun courant ne circule de l’alimentation vers la masse
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Réponse : C. Parce que, que l’entrée soit à 0 ou à 1, l’un des deux transistors pMOS ou nMOS est bloqué et pratiquement aucun courant ne circule de l’alimentation vers la masse

Dans un inverseur CMOS, une entrée à 0 rend le pMOS passant et le nMOS bloqué, et une entrée à 1 l’inverse ; en régime établi, un transistor bloqué se trouve toujours entre l’alimentation et la masse, si bien qu’il ne circule pratiquement aucun courant traversant. La puissance est surtout consommée par la charge et la décharge de la capacité de charge lors des commutations, soit P = α·C·V²·f. Toutefois, la miniaturisation a accru le courant de fuite à l’état bloqué, et dans les puces avancées la puissance statique représente une part non négligeable.

Que signifie le « C (Complementary : complémentaire) » de CMOS ?

  1. ARéaliser les circuits avec uniquement des nMOS en série
  2. BAssocier nMOS et pMOS pour qu’ils fonctionnent de façon complémentaire
  3. CAssocier transistors bipolaires et MOSFET
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Réponse : B. Associer nMOS et pMOS pour qu’ils fonctionnent de façon complémentaire

Le CMOS est une technique de circuit qui utilise nMOS et pMOS par paires. Lorsque l’entrée change, l’un devient passant et l’autre bloqué ; en régime établi, il n’existe pas de chemin de courant de l’alimentation vers la masse, ce qui réduit la consommation. La sortie atteint pleinement les potentiels de l’alimentation et de la masse, d’où de grandes marges de bruit. Proposé en 1963, le CMOS est devenu le standard des LSI dans les années 1980, remplaçant les technologies NMOS et bipolaire, plus gourmandes.

  1. Dans un inverseur CMOS, comment s’appelle le courant qui circule de l’alimentation vers la masse pendant la transition de l’entrée ?
  2. Dans un circuit CMOS, si seule la tension d'alimentation est divisée par deux, toutes choses égales par ailleurs, comment évolue la puissance dynamique ?

Questions d'entraînement sur Circuits logiques

Termes clés expliqués

CMOS
Technologie de circuit combinant de façon complémentaire des nMOS et des pMOS. En régime établi, presque aucun courant traversant ne circule, d'où une faible consommation.

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