Nederlands
Menu

CMOS versus TTL: logische IC-families vergeleken

TTL (transistor-transistorlogica) bouwt poorten met bipolaire transistors en was sinds de jaren 1960 de standaard digitale familie. CMOS bouwt poorten met complementaire MOS-transistors en heeft TTL daarna vrijwel overal vervangen. Het grote verschil is het vermogen. Een CMOS-poort neemt vrijwel geen stroom op als hij niet schakelt, terwijl een TTL-poort voortdurend stroom opneemt. CMOS heeft ook een groter voedingsspanningsbereik en een grotere ruismarge, en miljarden poorten passen op een chip.

KenmerkTTLCMOS
TransistorsBipolaire transistors. Een multi-emittertransistor aan de ingangComplementaire nMOS- en pMOS-transistors
Statisch vermogenHoog. Er loopt ook in rust stroomZeer laag. Alleen lekstroom
VoedingsspanningVast 5 V (ongeveer ±5%)Breed bereik. Ongeveer 1 V tot 15 V, afhankelijk van de familie
Logische niveausLaag tot ongeveer 0,8 V, hoog vanaf ongeveer 2,0 VOngeveer 30% en 70% van de voedingsspanning
RuismargeKlein (ongeveer 0,4 V)Groot (ongeveer 30% van de voedingsspanning)
UitgangsspanningszwaaiBereikt de voedingsrails niet volledigZwaait volledig van massa tot voeding
IngangenEr loopt stroom. Een niet-aangesloten ingang wordt hoogEr loopt vrijwel geen stroom, maar ongebruikte ingangen moeten op een vast potentiaal worden gelegd
SnelheidDestijds snel (74S, 74F enzovoort)Bij moderne families gelijkwaardig of sneller
IntegratiedichtheidLaag, door het hoge vermogenZeer hoog. De basis van VLSI
Belangrijkste toepassingenOude systemen, onderwijs, oudere apparatuurVrijwel alle moderne digitale chips, inclusief processors en geheugens

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

TTL
Je komt het vooral tegen in oude ontwerpen en bij het repareren van oudere apparatuur.
CMOS
De keuze voor vrijwel alle nieuwe digitale ontwerpen.
Gemengd
Sommige CMOS-families, zoals 74HCT, accepteren TTL-ingangsniveaus en zijn te koppelen aan oude TTL-onderdelen.

Veelgestelde vragen

Waarom verbruikt CMOS minder vermogen dan TTL?

Bij een CMOS-poort die niet schakelt, is altijd een van de twee complementaire transistors uitgeschakeld, dus er loopt vrijwel geen stroom. Een TTL-poort neemt voortdurend stroom op.

Wat is 74HCT?

Een CMOS-familie die TTL-ingangsniveaus accepteert. Hij is te koppelen aan oude TTL-onderdelen.

Moeten ongebruikte CMOS-ingangen worden aangesloten?

Ja. CMOS-ingangen nemen vrijwel geen stroom op, dus een niet-aangesloten ingang zweeft, wat onstabiel gedrag en extra vermogen kan veroorzaken. Verbind ze met massa of voeding.

Wordt TTL nog gebruikt?

Nauwelijks. Het komt voor in oude ontwerpen en oudere apparatuur, maar vrijwel alle moderne digitale chips gebruiken CMOS.

Test uw begrip

Welke serie van logica-IC's wordt met bipolaire transistoren opgebouwd?

  1. ATTL
  2. BCMOS 4000-serie
  3. CNMOS-logica
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. TTL

TTL (transistor-transistorlogica) zijn logica-IC's die bipolaire transistoren met meerdere emitters aan de ingang gebruiken en werden in de jaren zestig als 7400-serie de standaard voor digitale schakelingen. De voeding is 5 V en een ingang wordt beoordeeld als L bij circa 0,8 V of lager en als H bij circa 2 V of hoger. Omdat er ook in rust stroom vloeit en het vermogensverbruik groot is, domineert nu CMOS, maar het erfgoed leeft voort in CMOS-logica zoals 74HCT, die TTL-niveaus aan de ingang heeft.

Wat is de juiste reden dat het statische (stationaire) vermogensverbruik van een CMOS-inverter laag is?

  1. AOmdat de voedingsspanning hoog is
  2. BOmdat er voortdurend stroom door de gate loopt
  3. COmdat bij ingang 0 of 1 steeds één van pMOS en nMOS uit staat, zodat nauwelijks stroom van voeding naar aarde loopt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Omdat bij ingang 0 of 1 steeds één van pMOS en nMOS uit staat, zodat nauwelijks stroom van voeding naar aarde loopt

Bij een CMOS-inverter staat bij ingang 0 de pMOS aan en de nMOS uit, en bij 1 omgekeerd; in de stationaire toestand zit er altijd een uitgeschakelde transistor tussen voeding en aarde, zodat nauwelijks doorschietstroom loopt. Het vermogen wordt hoofdzakelijk verbruikt bij het laden en ontladen van de belastingscapaciteit tijdens schakelen, uitgedrukt als P = α·C·V²·f. Door miniaturisering neemt echter de lekstroom in de uit-toestand toe, en bij geavanceerde chips is het statische vermogen niet meer te verwaarlozen.

Wat betekent de 'C' (Complementary: complementair) in CMOS?

  1. AHet schakelen van uitsluitend nMOS in serie
  2. BnMOS en pMOS worden gecombineerd en werken zo dat ze elkaar aanvullen
  3. CBipolaire transistors en MOSFET's worden gecombineerd
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. nMOS en pMOS worden gecombineerd en werken zo dat ze elkaar aanvullen

CMOS is een schakelingsstijl waarin nMOS en pMOS als paar worden gebruikt. Wanneer de ingang verandert, gaat de ene transistor aan en de andere uit, zodat in de stationaire toestand geen stroompad van voeding naar aarde bestaat en het vermogensverbruik laag kan zijn. Omdat de uitgang volledig tot de potentialen van voeding en aarde slingert, is ook de ruismarge groot. Het werd in 1963 voorgesteld en werd in de jaren tachtig de standaard voor LSI, ter vervanging van NMOS en bipolair met hoog vermogensverbruik.

  1. Hoe heet bij een CMOS-inverter de stroom die van de voeding naar de aarde loopt terwijl de ingang omschakelt?
  2. Wat gebeurt er met het dynamische vermogensverbruik van een CMOS-schakeling als alleen de voedingsspanning wordt gehalveerd en de overige omstandigheden gelijk blijven?

Oefenvragen over Logische schakelingen

Belangrijke termen uitgelegd

CMOS
Circuitstijl waarin nMOS en pMOS complementair worden gecombineerd. In de statische toestand loopt vrijwel geen doorschietstroom, waardoor het vermogensverbruik laag is.

Verwante vergelijkingen