TTL 및 CMOS 로직 IC: 혁명의 구성 요소

May 03, 2023

오늘날 새로운 전자 프로젝트를 시작할 때 우리가 가장 먼저 하는 일 중 하나는 설계의 핵심을 구성하는 집적 회로를 선택하는 것입니다. 이는 마이크로컨트롤러와 다양한 컨트롤러 IC부터 다양한 MOSFET, 연산 증폭기, 그리고 일부 7400 또는 4000 시리즈 로직 IC까지 모든 것을 하나로 묶을 수 있습니다. 그러나 이러한 수준의 고집적화 및 소형화가 공상과학의 영역에 확고하게 자리 잡은 지 그리 오래되지 않았습니다. 심지어 NORBIT 모듈도 미래 지향적으로 보입니다.

1947년 최초의 점접촉 트랜지스터와 1948년 Bell Labs의 양극성 접합 트랜지스터(BJT) 건설을 시작으로 전자 업계는 곧 그 시점까지 가장 큰 변화의 시작을 보게 됩니다. 그러나 20세기의 흥미로운 지정학적 상황으로 인해 이는 병렬 개발, 노골적인 디자인 복사, 그리고 철의 장막 양쪽에서 기술 역사상 가장 매혹적인 이야기 중 하나라는 매혹적인 상황으로 이어졌습니다.

물론 트랜지스터가 발명된 이후에는 트랜지스터 몇 개를 실리콘 다이에 올려 논리 게이트를 만들고 이를 플라스틱(또는 세라믹) 패키지에 넣어 디지털 전자 세계를 장악하는 간단한 문제는 아니었습니다.

1960년대 초에 트랜지스터로 논리 게이트를 생성하기 위한 첫 번째 실행 가능한 접근 방식은 필요한 트랜지스터 수를 제한하는 저항-트랜지스터 논리(RTL)였습니다. 그 당시에는 저항기가 더 저렴했고 트랜지스터를 만들기가 여전히 어려웠습니다. 이 접근 방식은 개별 3입력 RTL 기반 NOR 게이트를 사용하여 구축된 Apollo Guidance Computer와 함께 사용되었습니다.

경쟁사의 다이오드-트랜지스터 로직(DTL) 회로 기술은 전력 소모가 적고 훨씬 더 많은 팬인(회로에 지원되는 입력 수)을 허용할 뿐만 아니라 팬아웃(회로에 지원되는 입력 수)을 상대적으로 쉽게 늘릴 수 있다는 장점이 있었습니다. 추가 다이오드와 트랜지스터를 사용하여 출력). DTL의 단점은 트랜지스터의 베이스 영역에 저장된 전하로 인해 회로를 통한 전파 지연이 상대적으로 길다는 것입니다.

이로 인해 추가된 커패시터, 베이커 클램프 및 쇼트키 트랜지스터를 포함하여 이 포화 문제를 제어하려는 여러 가지 시도가 이루어졌습니다. 1960년대 초에는 Signetics의 SE100 시리즈와 함께 DTL 기반 로직 칩이 출시되었고, 뒤이어 Fairchild에서 930 시리즈 DTμL(마이크로로직) 시리즈가 출시되었습니다. DTL 다음에는 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리)이 있었는데, 이는 DTL과 상당히 유사하지만 이름에서 알 수 있듯이 트랜지스터만 사용합니다.

최초로 상업적으로 생산된 TTL 마이크로로직 칩은 Sylvania의 SUHL(Universal High-Logic Level)과 후속 SUHL II 시리즈였습니다. Texas Instruments(TI)는 1964년에 군용 애플리케이션을 위한 5400 TTL 시리즈를 출시했으며, 2년 후 일반 애플리케이션용으로 7400 시리즈를 출시했습니다.

어느 정도 병행하여 ECL(이미터 결합 논리)도 1980년대까지 지속적인 성공을 거두었습니다. TTL뿐만 아니라 RTL, DTL과 같은 접근 방식에 비해 ECL의 주요 장점은 단일 오버드라이브 양극 접합 트랜지스터(BJT)를 사용하는 이미터 추종 특성으로 인해 ECL이 매우 빠르다는 것입니다. 사용된 트랜지스터 중 어느 것도 포화 상태에 있지 않도록 설계되었으며, 높은 레벨과 낮은 레벨 사이의 작은 전압 스윙(0.8V)으로 상대적으로 빠른 스위칭 시간이 가능합니다.

ECL은 소음이 적고 상대적으로 복잡한 전원 공급 장치가 필요하고 일정한 전류를 끌어야 한다는 단점이 있지만, ECL의 높은 스위칭 속도로 인해 속도가 가장 중요한 요소인 메인프레임 및 기타 애플리케이션에서 확실한 선택이 되었습니다. 여기에는 Cray-1 슈퍼 컴퓨터와 다양한 IBM 및 VAX 메인프레임이 포함되었습니다.

이는 기본 작동 원리가 이미 1926년에 제안되었지만 MOSFET이 BJT보다 상용화 준비에 ​​훨씬 더 오랜 시간이 걸렸던 MOSFET(금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터)의 개발과 대조됩니다. 이에 비해 상당한 크기 및 확장성 이점이 있습니다. 그러나 1960년대 후반에 MOS 기술이 대량 생산 준비가 되었을 때, 이는 여전히 일반적인 4000 시리즈 CMOS 논리 칩(1968년 RCA에서 출시)뿐 아니라 가정에 전력을 공급하는 마이크로프로세서까지 가능하게 하는 작은 혁명을 일으켰습니다. 1970년대 컴퓨터 혁명.