디지털 IC TTL과 CMOS

디지털 IC TTL과 CMOS 디지탈 IC의 큰 분에는 TTL(Transistor Transistor Losic)과 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)가 있습니다. 이외에도 고집적도를 얻기 위하여 메모리나 마이컴 관련 IC에 사용되는 N채널 MOS를 시초로 한 초고속 응답용과 컴퓨터나 카운터에 사용되고 있는 ECL(Emitter Coupled Losic) 등 여러가지가 있으나 특수한 용도나 목적에 사용되고 일반적인 디지털 로직은 TTL이나 CMOS 로직으로 한정됩니다. TTL은 1964년 미국의 TI(Texas Instruments)사에 의해서 발표된 이래, 우수한 성능과 적정한 가격, 500종류 이상이나 되는 풍부한 품종, 다수의 메이커가 생산함으로서 쉽게 구입할 수 있고, 시대에 따른 고속성, 에너지 지향의 개량형의 개발 등에 의해서 오늘날에도 디지탈 제어용의 IC의 주류를 이루고 있숩니다. 이에 대해서 CMOS 로직은 1996년에 미국의 RCA사와 모토로라사에 의해 발표된 것으로서 저소비 전력과 사용전압 범위가 넓어 급속도로 발전하였고 요즘에는 고 집적도의 LSI화와 TTL에 뒤떨어지지 않는 고속 응답형의 개발 등에 의해서 TTL을 능가하는 보급률을 보이고 있습니다. TTL은 NPN형 트랜지스터를 중김으로 만들어졌고, CMOS는 FET(전계효과 트랜지스터)를 사용하여 만들어졌습니다. 이 두가지 로직의 특징을 간단히 비교하면 다음과 같습니다.

항목 TTL CMOS   전원전압   4.75 ~ 5.25V   종래형 : 3 ~ 18V   고속형 : 2 ~ 6V   Threshold Level   1.2 ~ 1.4V   전원전압의 약 1/2   입출력간 전달지연시간   LS형 -- 10ns   AS, AL형 -- 3 ~ 3.5ns   종래형 : 100ns   고속형 : 8ns   최고 응답 주파수   LS형 -- 45MHz   ALS형 -- 100MHz   종래형 : 2MHz   고속형 : 45MHz   소비전류   LS형 -- 3.2mA(H레벨출력)                1.6mA(50%듀티)   0.0005 ~ 0.0003 micro A   품종   매우 풍부(500종 이상)   실용상 충분한 품종   사용온도 범위   섭씨 0 ~ 70도   섭씨  - 40 ~ 85도   장점   전달 지연 시간이 짧다   구조가 간단하여 집적화가 쉽다   단점   노이즈 마진이 작다   선로 임피던스에 영향받기 쉽다   소비전력이 크다   정전 파괴가 쉽다   고온에 약하다

TTL의 종류

TTL은 바이폴라형 트랜지스터를 스위칭 소자로 사용한 디지탈 제어용 IC의 일종으로, 특히 고속 응답성과 사용이 간편한게 특징입니다. 오랜 세월의 경험을 토대로 여러가지 용도에 맞는 품종이 만들어지고 있지만 대개의 차이점이나 특색을 알아놓지 않으면 제어회로의 본질을 이해할 수 없으므로 대표적 품종 몇가지에 대하여 알아보도록 하겠습니다. TTL은 오늘날 세계의 많은 메이커에 의해서 생산되고 있지만 그 대부분이 TI사의 세컨드 소스라고 볼 수 있습니다. 그러므로 특성은 물론이고 형명이나 파트넘버에 대해서도 TI사의 기준에 준하고 있어 TTL에 대해서 연구할 때는 TI사의 자료를 참고하는 것이 가장 적당하다고 할 수 있습니다. TI사의 TTL에는 2개의 계열과 7개의 시리즈가 있습니다. 2개의 패밀리란 표 2에 나타낸 바와 같이 54시리즈와 74시리즈가 있습니다. 54시리즈는 74시리즈에 비하여 성능이나 온도 특성 등이 우수한 것으로 군용으로 사용되고 있으며 일반적으로는 거의 사용되지 않습니다. 일반적으로 대부분 74시리즈라고 할 수 있습니다. 계열 사용온도 범위 전원전압 패키지 54계열 - 55 ~ 125 5V (+/-) 10% J형,W형,T형 74계열 0 ~ 70 5V (+/-) 5% J형,N형 J:세라믹 DIP, N:플라스틱 DIP, W:세라믹 플랜트 패키지, T:메탈 플랜트 패키지 이들의 가장 큰 차이점은 위의 표에서도 알 수 있듯이 사용온도 범위입니다. 패키지는 54계열에서는 내습성이 우수한 세라믹 패키지나 메탈 패키지가 표준으로 되어 있지만 74계열에서는 패키징이 용이하고 가격이 저렴한 플라스틱 DIP(Dual Inline Pakage) 패키지가 주류를 이루고 있습니다. 74패밀리에도 해상기기나 옥외결로의 염려가 되고 있는 기기에 세라믹 패키지가 채용되는 경우도 있지만 최근 플라스틱의 질적향상은 눈부시게 발전하여 가까운 장래에 세라믹은 자취를 감추게 될 것입니다. 패키지의 형상면에서는 DIP타입이 가장 일반적입니다. 소규모 IC는 14핀, 중규모 IC에서는 16핀, 거기에 마이크로 컨트롤러 등의 IC는 20핀~40핀이 많이 사용됩니다. 핀의 간격은 각 메이커에서 통일되어 있지만 패키지 외형치수는 재질이나 메이커가 달라 약간 다르기도 합니다. 시리즈 게이트 플립플롭 속도*전력곱 전달지연 시간 소비전력 클럭입력 주파수 Standard TTL 54/74 100pJ 10ns 10mW 0 ~ 35MHz High Speed TTL 54/74H 132pJ 6ns 22mW 0 ~ 50MHz Low Power TTL 54L 33pJ 33ns 1mW 0 ~ 3MHz Schottky TTL 54/74S 57pJ 3ns 19mW 0 ~ 125MHz Low-Power Schottky TTL 54/74LS 19pJ 95ns 2mW 0 ~ 45MHz Advanced Schottky TTL 54/74AS 33pJ 15ns 22mW 0 ~ 200MHz Advanced Low-Power Schottky TTL 54/74ALS 4pJ 4ns 1mW 0 ~ 100MHz TTL에는 위의 표와 같이 7개의 시리즈가 있으며 주로 전기적 특성에 의해서 구분됩니다. 당초에는 스탠다드형과 고속응답의 H형, 저소비전력의 L형의 3종류가 만들어 졌지만 그 후 트랜지스터의 베이스-콜렉터간에 순전압강하의 낮은 쇼트키 장벽 다이오드를 조합시켜 고속 스위칭을 실현한 S형과 저소비전력형의 LS형의 2종류가 추가되었습니다. 그러나 최근에는 CMOS 로직도 고속화가 되어 TTL의 장점이 약화되었습니다. 이에 따라 고속, 저소비전력으로 강화된 ALS형과 AS형이 동시에 발표되었습니다. 그러나 품종이 적기 때문에 그다지 사용되고 있지는 않습니다. 위의 표에 나온 패밀리 외에도 74시리즈는 원래 TTL만 있었지만 그 후 CMOS형의 HC패밀리가 개발되었습니다. 이것은 CMOS의 단점인 동작속도를 TTL이상의 수준으로 고속화한 것입니다. 또한 HC패밀리는 지금까지의 TTL과 같은 핀 배치를 사용하고 있기때문에 교환성이 매우 우수하여 근래에는 기존의 TTL을 대체하고 있습니다.