¿Por qué TTL funciona con 5V, cuando no hay batería de 5V?

La razón simple es que en la Edad Oscura (como en los años 50 y 60) nadie en su sano juicio intentaría alimentar la lógica con baterías. Las primeras familias lógicas, RTL, DTL y el gran ganador, TTL, fueron bipolares, no CMOS. Las corrientes estaban cerca de 2 a 20 mA / compuerta, dependiendo de la interconexión. Por lo tanto, cualquier circuito lógico de tamaño razonable extraería amperios de corriente, y los sistemas que extrajeron cientos de amperios no eran desconocidos. No solo eso, los únicos productos químicos para baterías recargables disponibles en la actualidad fueron el plomo-ácido y el NiCad. Ninguno de estos iba a proporcionar de 10 a cientos de amperios-hora de capacidad en algo portátil.

Con la aceptación generalizada de TTL, las familias sucesivas CMOS (74HC, HCT, ACT, etc ad nauseum) fueron diseñadas para ser compatibles con TTL, lo que significó un funcionamiento de 5 voltios (aunque notará que 74HC funciona más de 3 - 6 voltios). La gran excepción fue la serie CD4000, que tenía (y tiene) un rango operativo mucho más amplio. Luego, a medida que los procesos fabulosos se hacían más pequeños y los dispositivos eran más rápidos, las familias de menor voltaje comenzaron a dominar hasta que, como señala KGregory, 5V realmente no se usa mucho comercialmente, al menos para diseños completamente nuevos.

En cuanto a los orígenes de 5V / TTL, eso fue un conjunto de concesiones de diseño. Si encuentra un esquema de una compuerta TTL, notará que necesita al menos 3 caídas de diodo internamente, además de varias caídas de resistencia. Lo que no le dice a usted es la elección de las corrientes de referencia (1.6 mA para una entrada baja) que fue determinada en parte por los niveles de corriente requeridos para producir velocidades de conmutación aceptables. Estos niveles actuales, a su vez, establecen límites en los valores de la resistencia interna y los voltajes necesarios para alimentarlos. También debe tener en cuenta el estado de la capacidad de fabricación de semiconductores: los primeros circuitos TTL estaban al borde de lo que podría producirse de manera confiable. Imagínese: ¡20 a 100 puertas en un chip! Eso es (trago) cientos de transistores, con las máscaras todas dispuestas a mano. Todo esto, incluidos los límites de disipación de potencia, dio como resultado una especificación de voltaje de alimentación TTL estándar de 4,75 a 5,25 voltios. Al final resultó que, este era un margen suficientemente amplio para los sistemas prácticos, y la velocidad (10 - 20 MHz) era adecuada para una amplia gama de aplicaciones. Así que TTL se convirtió en rey. Incluso entonces, si querías una velocidad mayor, había otras familias disponibles, como 74S y ECL, pero esos cachorros eran más potentes que TTL. Ve a buscar las técnicas de construcción de las primeras computadoras Cray.

Criterio número 1: las uniones de emisor de base de un transistor con polarización inversa no pueden tener mucho más de 6 voltios. Comienzan a "filtrarse" y acumulan daños en función del tiempo.

Criterios número 2: los primeros chips lógicos eran bipolares y tenían bastante un consumo de corriente estática que generaba calor. mayor voltaje significa más calor ...

criterio número 3: la tecnología de chip inicial utilizada para digital sufrió problemas de escalado. necesitaban un poco de distancia para "mantener" una tensión de separación. hacer que los chips sean poco prácticos y caros (el costo de un chip se define en milímetros cuadrados de superficie ...)

Tíralo en un montón y terminas con algo que funciona entre 3 y 5 voltios. A 3 voltios, los transistores no cambiaron lo suficientemente "rápido" para obtener pulsos limpios agradables, por lo que se asentaron a 5 voltios. Todos los criterios cumplidos

Ahora, para la tecnología MOS temprana se encontraron con otro problema. Sólo tenían transistores NMOS. No había P-MOS (aún no habían descubierto el proceso de implantación, estaban depositando regiones dopadas a través del crecimiento de cristales en un horno y luego grabándolas). Así que apilaron los transistores nmos para hacer sistemas de tótem. El problema es que ahora necesita un voltaje adicional para cambiar arriba y abajo. Así que podrían haber usado tierra, 5 voltios y 10 voltios (para encender el transistor superior, levante su compuerta 5 voltios por encima de su fuente, que se encuentra a 5 voltios. El problema es que esto no era compatible con la lógica bipolar. utilizaron -5 voltios y lo utilizaron como el nivel de "tierra". Para crear una salida compatible, todo lo que necesitaban era un mos de los 5 voltios al pin de salida. Encienda la máquina superior para obtener 5 voltios. Apágalo y obtendrás 0 voltios. La lógica interna usó -5v como lógica 0 y 0 voltios como lógica 1. Los primeros cpu en tecnología NMOS en realidad tienen un pin de -5 voltios.

Una vez que pudieron construir tanto el PMOS como el NMOS (lo que ahora llamamos el proceso CMOS: semiconductor complementario de óxido metálico: significando n y p, aunque ese óxido de metal ... durante mucho tiempo no fue cierto ... comenzó así, se fue (usamos polisilicio dopado como la puerta que no necesita metal ...) y ahora está de vuelta) el voltaje negativo ya no es necesario.

existían otras tecnologías como ECL que también requerían un voltaje negativo y usaban 5 voltios y -3 voltios como rieles de suministro (aunque los niveles lógicos para ecl son como 1 voltio y - 1,2 voltios o algo así. Consumo de el poder en ECL es una constante, solo se lanza corriente de un bucle a otro) para que de esa manera se mantenga la compatibilidad con los sistemas de suministro de energía existentes.

todo es histórico y se basa en la practicidad de la tecnología temprana de circuitos integrados.

Una computadora cray como la cray 1, por ejemplo, no tenía un "regulador" como lo entendemos ahora. Ellos utilizaron un convertidor rotativo. un motor impulsó un generador que generó un voltaje de salida de 6 fases a 400 hercios. rectificaron eso y terminaron con muy poca ondulación debido a las 6 fases. por lo que necesitaron un mínimo de condensadores (el cray 1 aspiró cientos de amperios en sus rieles de alimentación ... siendo una máquina completamente ECL)

el 'regulador' solo controlaba la bobina de campo del generador para ajustar la salida del generador. por lo que no utilizaron un transistor para regular los cientos de amperios. simplemente controle la fuerza del imán giratorio y regule el voltaje de salida del generador.

hay todo tipo de trucos como esos en estas primeras máquinas.

La tensión lógica depende en gran medida de los procesos de fabricación del CMOS, mientras que la tensión de la batería depende de la química de la batería. Ambos son muy independientes. Además, no todas las aplicaciones lógicas utilizan una batería y, de hecho, muchas son alimentadas por CA.

Lo más importante, sin embargo, es el hecho de que el voltaje lógico es un importante contribuyente al consumo de energía en la lógica digital. Por lo tanto, incluso si tiene que regular linealmente el voltaje lógico a partir de un voltaje más alto, ahorrará energía al reducir el voltaje lógico. Cuando se utiliza un regulador de conmutación (también conocido como convertidor DC-DC), el ahorro de energía será aún mayor.

Por esta razón, vemos voltajes lógicos que tienden a disminuir hacia abajo con los dispositivos lógicos más nuevos. La lógica de 5 V, de hecho, es en su mayoría obsoleta en estos días y en su mayoría solo es utilizada por los aficionados en la actualidad. 3.3V es mucho más común para la lógica de nivel de placa, mientras que la lógica de 2.5V y 1.8V está creciendo en popularidad. Además, muchos circuitos integrados utilizan voltajes lógicos internos incluso más bajos (1.5V y menores es común).

Otro problema es el hecho de que, aunque una batería tiene nominalmente 9V o 12V (o cualquier voltaje que pueda ser), el voltaje real puede fluctuar bastante. Por esta razón, generalmente sería una buena idea usar un regulador de voltaje para garantizar un voltaje de suministro más estable y consistente a fin de garantizar un funcionamiento más estable y consistente. Esto significa que la mayoría de los diseñadores buscarán una fuente de energía que se garantice que sea más alta que su voltaje operativo, ya que de todos modos tienen la intención de regularla.

Al arriesgarse y hacer un WAG que ni siquiera alcanza el estado SWAG, mi apuesta es que las baterías apenas fueron una consideración durante los viejos y malos días de TTL. Las computadoras digitales eran enormes arreglos de chips TTL, y las baterías hubieran durado momentos. Las calculadoras y productos de mano similares tendían hacia baterías de 9V, que tienen una capacidad bastante grande, y se reemplazaron a menudo.

De alguna manera, la industria de dispositivos móviles de hoy muestra una notable convergencia de mejores familias lógicas y mejor tecnología de baterías. Para apreciar realmente la tecnología moderna de la batería, es necesario que haya adquirido una calculadora TI-SR50 en algún momento de su vida.

Como ya se dijo, los sistemas viejos de 5V ttl consumen mucha energía, por lo que la alimentación de la batería parece irrazonable. Pero hay una razón para 5V regulador de voltaje. El regulador de voltaje muy simple consiste en una referencia de diodo Zener con un transistor como seguidor de voltaje. 5.6 V zener es más estable a la temperatura. Después de una caída de 0.6 V en el seguidor de voltaje, hay una potencia estable de 5 V.

Tenga en cuenta que, incluso si la batería de 5 V existe, su rango de voltaje no sería adecuado para los requisitos de TTL. Normalmente, TTL acepta un rango de 4,75 a 5,25 V, que es (más-menos) de tolerancia del 5%. La batería de cuatro celdas de NiCd más adecuada proporciona un rango de voltaje de 4.4 (completamente agotado) a 5.6 V (completamente cargado), por lo que necesita un IC con al menos un 13% de tolerancia de voltaje de alimentación.

La tecnología CMOS más adecuada para aplicaciones con baterías es la que históricamente acepta un rango de voltaje muy amplio, por ejemplo, de 3 a 15 V (consulte los chips de la serie CD4000). Por lo tanto, acepta 4.5 V, 9 V o 12 V sin ninguna transformación.