¿Pasar de los transistores a las puertas para ... IC's?

La primera serie lógica completa fue la serie TTL 74xx. Este utiliza BJTs (transistores de unión bipolar). Más tarde vinieron variantes como la 74LSxx de uso frecuente, donde "LS" significa Schottky TTL de baja potencia. Como su nombre lo indica, estos usaron menos energía que el TTL, que consumía mucha energía, y también fueron más rápidos. Al mismo tiempo se desarrolló la serie CMOS 4000. La "C" en CMOS significa Complementario, lo que significa que es una combinación de MOSFET de canal N y canal P. Su construcción es más simple que la TTL y usan mucha menos energía. Posteriormente, el CMOS estándar se convirtió en HCMOS, "H" para alta velocidad. La mayoría de los tipos 74LSxx se han lanzado como HCMOS en la serie 74HCxx, o en la serie 74HCTxx, que es compatible con TTL. Posteriormente se desarrollaron más variantes, como Advanced CMOS (74ACxx).

Los microcontroladores están integrados en la tecnología HCMOS, por lo que utilizan MOSFET. Los JFET de AFAIK no se utilizan para circuitos integrados lógicos. El transistor que se muestra en la imagen es un BJT, que se puede ver en la designación del pin:

  

E = Emisor
  B = Base
  C = Coleccionista

Para un MOSFET, los pines serían

  

S = Fuente
  G = Puerta
  D = drenaje

respectivamente.

Muchos circuitos integrados de la serie 74HCxx se lanzaron originalmente en paquetes DIL de 14 o 16 pines, lo que significaba que cabrían cuatro puertas de 2 entradas. Con la miniaturización (SMT) vino la demanda de paquetes más pequeños, incluso si contuvieran menos puertas. Varios fabricantes ofrecen versiones de compuertas lógicas de una y dos compuertas. Por ejemplo, NXP tiene un 74LVC1G00 (solo NAND de 2 entradas) y un 74LVC2G00 (NAND dual de 2 entradas) de la versión clásica 74HC00 . 74LVCxx es otra tecnología HCMOS. Esta página enumera todas las familias lógicas NXP.

Por dónde empezar ...

Las Puertas lógicas utilizadas en los chips VLSI no se construyen a partir de Transistores de Unión Bipolar (BJT), sino que usan Transistores de Efecto de Campo (FET) (Semiconductor de Óxido de Metal (MOS) para ser exactos). Las topologías utilizadas en este ámbito están compuestas comúnmente en redes de pull-up tipo P complementarias y de tipo N desplegables. Básicamente, creo que estos tipos se utilizan en este contexto porque se pueden crear mediante un proceso de fabricación confiable a muy pequeña escala. Quizás más importante es que en CMOS, lo que cuenta son los niveles de voltaje, los márgenes de ruido y las velocidades de conmutación. Todas las cosas que son muy importantes en la tecnología informática.

Las puertas TTL (hasta la serie 7400) son versiones integradas (IC) de los BJT de 3 terminales que se muestran en la imagen, excepto que no son del todo. Se integran en las topologías apropiadas (incluidas las "resistencias integradas") de manera que se comportan lógicamente como puertas booleanas desde una perspectiva de voltaje de entrada / salida. Algunos de los BJT utilizados en estas puertas también tienden a tener múltiples emisores para entradas (esto es equivalente a múltiples BJT de 3 terminales con sus colectores y bases conectadas entre sí). TTL es lógicamente similar a la tecnología CMOS, pero las compuertas pueden en realidad conducir y hundir una cantidad apreciable de corriente (por ejemplo, 20 mA +).

Los dispositivos BJT de 3 terminales tienden a tener una capacidad de carga actual mucho mayor que las versiones integradas, pero estoy seguro de que puede encontrar variedades integradas que sean comparables. 100mA es común, y más de 1A están disponibles. Puede imitar las topologías lógicas TTL con ellos, pero esto rara vez se hace en la práctica.

Una última cosa que agregaré es que los terminales de BJT están comúnmente etiquetados como E para el emisor, C para el colector y B para la base. Los terminales de un FET se etiquetan comúnmente como S para la fuente, D para el drenaje y G para la compuerta (que no debe confundirse con una "compuerta lógica"). Los terminales son parecidos, pero cuando se emplean para implementar "circuitos lógicos", las topologías son muy diferentes para estas dos tecnologías.

Esta pregunta ya tiene dos buenas respuestas, pero vale la pena mencionar que este tema es bastante extenso para profundizar en todos los detalles sin escribir demasiado. Te recomiendo que veas estas conferencias de MIT, son largas pero valen cada minuto:

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