Circuitos integrados lógicos TTL y CMOS: los componentes básicos de una revolución

May 03, 2023

Cuando comenzamos un nuevo proyecto de electrónica hoy, una de las primeras cosas que tendemos a hacer es elegir los circuitos integrados que constituyen el núcleo del diseño. Esto puede ser cualquier cosa, desde un microcontrolador y varios circuitos integrados de controlador hasta una pizca de MOSFET, amplificadores operacionales y posiblemente algunos circuitos integrados lógicos de la serie 7400 o 4000 para unir las cosas. Sin embargo, no ha pasado tanto tiempo desde que este nivel de alta integración y miniaturización estaba firmemente en el ámbito de la ciencia ficción, e incluso los módulos NORBIT parecían futuristas.

Comenzando con la construcción del primer transistor de contacto puntual en 1947 y el transistor de unión bipolar (BJT) en 1948 en Bell Labs, el mundo de la electrónica pronto vería el comienzo de su mayor transformación hasta ese momento. Sin embargo, debido a las interesantes circunstancias geopolíticas del siglo XX, esto condujo a una situación fascinante de desarrollo paralelo, copia descarada de diseños y una de las historias más fascinantes en la historia de la tecnología a ambos lados del Telón de Acero.

Después de la invención del transistor, por supuesto que no fue una simple cuestión de colocar algunos transistores en un troquel de silicio para crear puertas lógicas, colocarlo en un paquete de plástico (o cerámica) y dominar el mundo de la electrónica digital.

El primer enfoque viable para crear puertas lógicas con transistores a principios de la década de 1960 fue la lógica de resistencia-transistor (RTL), que limitaba la cantidad de transistores necesarios. En ese momento, las resistencias eran más baratas y los transistores aún eran difíciles de fabricar. Este enfoque se utilizó con la computadora de orientación Apollo, que se construyó utilizando puertas NOR discretas basadas en RTL de 3 entradas.

La tecnología de circuito de lógica de diodo-transistor (DTL) de la competencia tenía las ventajas de usar menos energía y permitir una entrada significativamente mayor (la cantidad de entradas admitidas a un circuito), así como un aumento relativamente fácil de la salida (número). de salidas) mediante el uso de diodos y transistores adicionales. Una desventaja de DTL era que el retardo de propagación a través de un circuito es relativamente largo debido a la carga almacenada en la región base de los transistores.

Esto condujo a una serie de intentos de controlar este problema de saturación, incluido un condensador adicional, una abrazadera Baker y el transistor Schottky. La década de 1960 vio el lanzamiento de chips lógicos basados ​​en DTL, con la serie SE100 de Signetics, seguida por Fairchild con la serie DTμL (micrologic) de la serie 930. Después de DTL estaba la lógica transistor-transistor (TTL), que es bastante similar a DTL, pero como sugiere el nombre, usa solo transistores.

Los primeros chips micrológicos TTL producidos comercialmente fueron Universal High-Logic Level (SUHL) de Sylvania y la serie sucesora SUHL II. Texas Instruments (TI) presentaría la serie 5400 TTL para aplicaciones militares en 1964, y dos años más tarde se presentó la serie 7400 para aplicaciones generales.

Algo en paralelo, la lógica acoplada por emisor (ECL) también tuvo un éxito continuo en la década de 1980. La principal ventaja de ECL sobre enfoques como RTL y DTL, así como TTL, es que ECL es muy rápido debido a su naturaleza de seguimiento del emisor, utilizando un solo transistor de unión bipolar (BJT) sobrecargado. El diseño es tal que ninguno de los transistores utilizados está saturado, con pequeñas oscilaciones de voltaje entre niveles altos y bajos (0,8 V) que permiten tiempos de conmutación relativamente rápidos.

Aunque ECL tiene las desventajas de requerir fuentes de alimentación relativamente complicadas con poco ruido y consumir corriente constante, sus altas velocidades de conmutación lo convirtieron en una opción obvia en mainframes y otras aplicaciones donde la velocidad era el factor más importante. Esto incluía la supercomputadora Cray-1, así como una gama de mainframes IBM y VAX.

Esto contrasta con el desarrollo del MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor), cuyos principios básicos de funcionamiento ya se propusieron en 1926, pero tardó mucho más en estar listo para la comercialización que el BJT, aunque los MOSFET ofrecen tamaño significativo y ventajas de escala sobre estos. Sin embargo, cuando la tecnología MOS estuvo lista para la producción en masa a fines de la década de 1960, provocó una pequeña revolución que permitió no solo los todavía comunes chips lógicos CMOS de la serie 4000 (introducidos por RCA en 1968), sino también los microprocesadores que alimentarían el hogar. revolución informática de la década de 1970.

Probablemente poco de la historia anterior sea desconocido para el lector promedio, pero donde las cosas se ponen interesantes es con el desarrollo de estas tecnologías en la Unión Soviética y las naciones aliadas. Como esta parte del mundo tenía relaciones menos que amistosas con los EE. UU. y sus aliados desde la década de 1940, quedó en gran medida excluida de la gran revolución de los semiconductores que estaba teniendo lugar principalmente en los EE. UU.

Esencialmente, esto significaba que el equipo de fabricación y los conocimientos técnicos para la fabricación de transistores y MOSFET estaban bajo un estricto embargo, y los países del Primer Mundo tenían prohibido exportar dichos artículos a la URSS y territorios aliados. Cuando observamos un documento ultrasecreto de la CIA de 1976 (desclasificado en 1999) titulado USSR Seeks to Build Advanced Semiconductor Industry With Embargoed Western Machinery, podemos tener una buena impresión de cuál era el estado de las cosas en ese momento.

Incluso cuando EE. UU., Europa y Japón estaban aumentando sus respectivas industrias de semiconductores, la URSS se estaba quedando muy atrás. Aunque el liderazgo de la URSS reconoció la gran ventaja táctica que les daría la tecnología moderna de semiconductores, no era una desventaja que pudieran superar fácilmente. Esto condujo a un esfuerzo a gran escala por parte de la URSS para importar ilícitamente maquinaria occidental para fabricar semiconductores de última generación y copiar cualquier tecnología que pudiera tener en sus manos.

Parte del resultado de esto se puede encontrar en los muchos circuitos integrados lógicos que son compatibles con los circuitos integrados TTL de la serie 7400-logic. Mientras que los fabricantes europeos seguirían el esquema de nombres de Pro Electron (p. ej., FJH101 para la puerta NAND de 8 entradas 7403), los fabricantes soviéticos y, hasta cierto punto, del Bloque del Este utilizaron el esquema de designación IC soviético. Esto comenzó con el estándar NP0.034.000 en 1968, que vio su primera actualización en 1973 con GOST 18682—73.

Lo notable con los chips lógicos IC producidos para el mercado soviético es que utilizan un espacio entre pines métrico (2,5 mm y 1,2 mm) en lugar de imperial (2,54 mm y 1,27 mm). En países del Bloque del Este como Checoslovaquia, Polonia y Alemania Oriental, se utilizaron varios esquemas de designación de IC, y muchos de ellos coincidían con el equivalente occidental. En Alemania Oriental, por ejemplo, existían tres series compatibles con 7400: 6400, 7400 y 8400, cada una dirigida a un mercado diferente con diferentes rangos de temperatura y otras propiedades.

Aún más confuso, los chips lógicos designados para la exportación a veces se marcarían con la designación 7400 de estilo estadounidense. El uso de letras cirílicas en lugar de caracteres latinos también puede ser muy confuso, especialmente cuando un carácter cirílico y latino se ven similares. La producción continua de esta serie de circuitos integrados lógicos después de la disolución de la Unión Soviética en 1991 en plantas de semiconductores que pueden no ofrecer la impresión de caracteres cirílicos, lo que obligó al uso de caracteres romanizados, ha confundido aún más el nombre aquí.

Para las personas que vivían en la URSS o en cualquiera de sus países satélites, gran parte de la revolución tecnológica de los años 60 a los 80 pasó desapercibida. Debido a la falta de capacidad de fabricación de semiconductores en la URSS, los circuitos integrados que se producían en su mayoría llegaron a equipos militares y relacionados, dejando circuitos integrados menores y obsoletos para el ciudadano medio, lo que también dio como resultado que la tecnología de válvulas sobreviviera en la URSS durante décadas más allá. gran parte de Occidente.

Sin embargo, con la caída de la Unión Soviética, todo esto cambió. Con los embargos contra la URSS ya no vigentes, los bienes de consumo llenos de circuitos integrados occidentales inundaron los mercados de Europa del Este y Rusia, lo que provocó la rápida desaparición de empresas como la checoslovaca Tesla, que había estado fabricando prácticamente todos los productos electrónicos para el mercado local. .

Los contratos militares y otros contratos a largo plazo aseguraron que tanto el esquema de nombres de IC soviéticos como los IC especiales sobrevivieran hasta el día de hoy, pero los días emocionantes de espía contra espía de la Guerra Fría han pasado, dejando atrás una historia extrañamente dividida que sin duda confundir a muchos en las próximas décadas.