Pode ser surpreendente saber que a patente de um 'transistor de efeito de campo' antecedeu a criação do transistor bipolar em pelo menos 20 anos. No entanto, os transistores bipolares foram mais rápidos para pegar comercialmente, com o primeiro chip feito de transistores bipolares aparecendo na década de 1960, com a tecnologia de fabricação MOSFET sendo aperfeiçoada na década de 1980 e logo ultrapassando seus primos bipolares.
Depois que o transistor de ponto de contato foi inventado em 1947, as coisas começaram a se mover rapidamente. Primeiro, veio a invenção do primeiro transistor bipolar no ano seguinte. Então, em 1958, Jack Kilby surgiu com o primeiro circuito integrado que colocava mais de um transistor no mesmo dado. Onze anos depois, a Apollo 11 pousou na Lua, graças ao revolucionário Apollo Guidance Computer, que foi o primeiro computador embarcado do mundo. Ele foi feito usando CIs de porta NOR de três entradas primitivas, que consistiam em apenas 3 transistores por porta.
Isso deu origem à popular série TTL (Transistor-Transistor Logic) de chips lógicos, que foram construídos com transistores bipolares. Esses chips funcionavam com 5 V e podiam funcionar em velocidades de até 25 MHz.
Isso logo deu lugar à lógica de transistor com grampo Schottky, que adicionou um diodo Schottky na base e no coletor para evitar a saturação, o que reduziu muito a carga de armazenamento e diminuiu os tempos de chaveamento, o que por sua vez diminuiu o atraso de propagação causado pela carga de armazenamento.
Outra série de lógica baseada em transistor bipolar foi a série ECL (Emitter Coupled Logic), que funcionou em tensões negativas, operando essencialmente 'para trás' em comparação com suas contrapartes TTL padrão que ECL poderia funcionar até 500 MHz.
Por volta dessa época, a lógica CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) foi introduzida. Ele usava dispositivos de canal N e canal P, daí o nome complementar.
TTL VS CMOS: Vantagens e Desvantagens
O primeiro e mais falado é o consumo de energia - TTL consome mais energia do que CMOS.
Isso é verdade no sentido de que uma entrada TTL é apenas a base de um transistor bipolar, que precisa de alguma corrente para ligá-lo. A magnitude da corrente de entrada depende do circuito interno, afundando até 1,6 mA. Isso se torna um problema quando muitas entradas TTL são conectadas a uma saída TTL, que normalmente é apenas um resistor pullup ou um transistor de lado alto mal acionado.
Por outro lado, os transistores CMOS são de efeito de campo, ou seja, a presença de um campo elétrico na porta é suficiente para influenciar o canal semicondutor na condução. Em teoria, nenhuma corrente é consumida, exceto para a pequena corrente de fuga do portão, que geralmente é da ordem de pico ou nanoamp. No entanto, isso não quer dizer que o mesmo baixo consumo de corrente seja verdadeiro mesmo para velocidades mais altas. A entrada de um chip CMOS tem alguma capacitância e, portanto, um tempo de subida finito. Para garantir que o tempo de subida seja rápido em alta frequência, uma grande corrente é necessária, que pode ser da ordem de vários amperes nas frequências MHz ou GHz. Esta corrente é consumida apenas quando a entrada precisa mudar de estado, ao contrário do TTL, onde a corrente de polarização deve estar presente com o sinal.
Quando se trata de saídas, CMOS e TTL têm suas próprias vantagens e desvantagens. As saídas TTL são totem ou pullups. Com o totem, a saída pode oscilar apenas 0,5 V dos trilhos. No entanto, as correntes de saída são muito mais altas do que suas contrapartes CMOS. Enquanto isso, as saídas CMOS, que podem ser comparadas com resistores controlados por tensão, podem produzir em milivolts dos trilhos de alimentação, dependendo da carga. No entanto, as correntes de saída são limitadas, muitas vezes mal sendo suficientes para acionar alguns LEDs.
Graças aos seus requisitos de corrente menores, a lógica do CMOS se presta muito bem à miniaturização, com milhões de transistores sendo capazes de ser embalados em uma pequena área sem que o requisito de corrente seja impraticavelmente alto.
Outra vantagem importante que o TTL tem sobre o CMOS é sua robustez. Os transistores de efeito de campo dependem de uma fina camada de óxido de silício entre a porta e o canal para fornecer isolamento entre eles. Esta camada de óxido tem nanômetros de espessura e tem uma tensão de ruptura muito pequena, raramente ultrapassando 20 V, mesmo em FETs de alta potência. Isso torna o CMOS muito suscetível a descarga eletrostática e sobretensão. Se as entradas forem deixadas flutuando, elas lentamente acumulam carga e causam mudanças espúrias de estado de saída, razão pela qual as entradas CMOS geralmente são aumentadas, diminuídas ou aterradas. O TTL não sofre esse problema na maior parte, pois a entrada é uma base de transistor, que atua mais como um diodo e é menos sensível a ruídos por causa de sua impedância mais baixa.
TTL OU CMOS? Qual é melhor?
A lógica CMOS substituiu o TTL em quase todos os sentidos. Embora os chips TTL ainda estejam disponíveis, não há nenhuma vantagem real em usá-los.
No entanto, os níveis de entrada TTL são um tanto padronizados e muitas entradas lógicas ainda dizem 'compatível com TTL', portanto, ter um CMOS conduzindo um estágio de saída TTL para compatibilidade não é incomum. Em geral, o CMOS é o vencedor claro quando se trata de utilidade.
A família lógica TTL usa transistores bipolares para realizar funções lógicas e CMOS usa transistores de efeito de campo. O CMOS geralmente consome muito menos energia, apesar de ser mais sensível que o TTL. CMOS e TTL não são realmente intercambiáveis e, com a disponibilidade de chips CMOS de baixa potência, o uso de TTL em designs modernos é raro.