Электронные схемы, особенно цифровые, построены на логических элементах (вентилях), которые реализуют базовые логические операции булевой алгебры ("И", "ИЛИ", "НЕ" и их комбинации). Эти элементы группируются в так называемые логические семейства, которые определяются технологией изготовления и типом используемых полупроводниковых приборов (транзисторов). Выбор логического семейства определяет такие ключевые характеристики микросхемы, как быстродействие, энергопотребление, помехоустойчивость и плотность размещения элементов.
Семейства на биполярных транзисторах
Исторически первыми и долгое время доминирующими были семейства, основанные на биполярных транзисторах.
Резисторно-транзисторная логика (РТЛ, RTL)
Это одно из первых семейств, в котором для логических операций использовались только резисторы и биполярные транзисторы.
Отличалась простотой, но имела низкое быстродействие и плохую помехоустойчивость. В настоящее время практически не применяется.
Диодно-транзисторная логика (ДТЛ, DTL)
Развитие РТЛ, где на входе использовались диоды для формирования логической функции, а транзистор — для инверсии и усиления.
Имела лучшее быстродействие и помехоустойчивость, чем РТЛ, но также была вытеснена более совершенными технологиями.
Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)
Одно из самых распространенных и влиятельных семейств, в котором и логическая функция, и усиление выполняются с помощью биполярных транзисторов.
Отличается хорошим балансом скорости и энергопотребления. Базовый элемент ТТЛ — многоэмиттерный транзистор на входе и двухтактный (тотемный столб) выход.
Существуют усовершенствованные версии, например, ТТЛШ (TTL с диодами Шоттки), которые используют эффект Шоттки для предотвращения насыщения транзисторов, что существенно повышает быстродействие.
Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ, ECL)
Самое быстрое семейство на биполярных транзисторах.
Транзисторы работают в ненасыщенном режиме (в режиме переключения тока), что обеспечивает минимальное время задержки переключения.
Главные недостатки — высокое энергопотребление и низкая помехоустойчивость по сравнению с ТТЛ и КМОП.
Семейства на полевых транзисторах
Современные электронные схемы массового производства базируются в основном на полевых транзисторах.
МОП-логика (MOS logic: n-MOS, p-MOS)
Использует металл-оксид-полупроводниковые (МОП) транзисторы (полевые транзисторы с изолированным затвором).
n-МОП (на основе n-канальных транзисторов) и p-МОП (на основе p-канальных транзисторов) были важны на ранних этапах развития микропроцессоров.
Отличаются высокой плотностью размещения элементов.
Комплементарная МОП-логика (КМОП, CMOS)
В настоящее время доминирующая технология, используется в подавляющем большинстве современных цифровых микросхем (микропроцессоры, память, контроллеры).
КМОП-элемент состоит из комплементарной (взаимодополняющей) пары n-МОП и p-МОП транзисторов.
Главное преимущество — чрезвычайно низкое статическое энергопотребление, поскольку в установившемся состоянии (логический '0' или '1') ток протекает только через закрытый транзистор, а не через активный канал. Энергия потребляется в основном только в момент переключения логического состояния.
Обладает высокой помехоустойчивостью и возможностью работы в широком диапазоне питающих напряжений.
Гибридные семейства
Би-КМОП (BiCMOS)
Сочетает преимущества КМОП (низкое энергопотребление) и биполярной логики (высокое быстродействие).
Биполярные транзисторы часто используются на выходе для увеличения нагрузочной способности и скорости переключения, в то время как логическая функция реализуется на КМОП-транзисторах.
Выбор между этими семействами — это всегда компромисс между скоростью, потребляемой мощностью и стоимостью, зависящий от конкретного применения в электронном устройстве.