La semplice ragione è che nel Medioevo (come gli anni '50 e '60) nessuno sano di mente avrebbe cercato di alimentare la logica con le batterie. Le prime famiglie logiche, RTL, DTL e il grande vincitore, TTL, erano bipolari, non CMOS. Le correnti erano in prossimità di 2 - 20 mA / gate, a seconda dell'interconnessione. Quindi qualsiasi circuito logico di dimensioni ragionevoli attirerebbe amplificatori di corrente, e sistemi che tirano centinaia di amplificatori non erano inauditi. Non solo, le uniche sostanze chimiche per batterie ricaricabili ampiamente disponibili erano piombo-acido e NiCad. Nessuno di questi avrebbe fornito da 10 a centinaia di ampere di capacità in qualsiasi cosa portatile.

Con la diffusa accettazione del TTL, le famiglie CMOS successive (74HC, HCT, ACT, ecc. fino alla nausea) sono state progettate per essere compatibili con TTL, il che significava il funzionamento a 5 volt (anche se noterai che 74HC funziona oltre 3-6 volt). La grande eccezione è stata la serie CD4000, che aveva (e ha) un raggio d'azione molto più ampio. Poi, man mano che i processi fab si sono ridotti e i dispositivi più veloci, le famiglie a basso voltaggio hanno iniziato a dominare fino a quando, come sottolinea KGregory, il 5V non è davvero molto usato commercialmente, almeno per progetti completamente nuovi.

Per quanto riguarda le origini di 5V / TTL, quella era una serie di compromessi di design. Se trovi uno schema di un gate TTL, noterai che ha bisogno di almeno 3 cadute di diodi internamente, più varie cadute di resistenza. Ciò che non ti dice è la scelta delle correnti di riferimento (1,6 mA per un ingresso basso) che è stata in parte determinata dai livelli di corrente necessari per produrre velocità di commutazione accettabili. Questi livelli di corrente a loro volta stabiliscono dei limiti sui valori della resistenza interna e sulle tensioni necessarie per alimentarli. È inoltre necessario tenere conto dello stato della capacità della fabbrica di semiconduttori: i primi circuiti TTL erano al limite di ciò che poteva essere prodotto in modo affidabile. Immagina: da 20 a 100 porte su un chip! Sono (gulp) centinaia di transistor, con le maschere tutte disposte a mano. Tutto ciò, compresi i limiti di dissipazione di potenza, ha portato alla specifica della tensione di alimentazione TTL standard da 4,75 a 5,25 volt. Come si è scoperto, questo era un margine sufficientemente ampio per i sistemi pratici e la velocità (10-20 MHz) era adeguata per un'ampia gamma di applicazioni. Così TTL è diventato re. Anche allora, se volevi una velocità maggiore, c'erano altre famiglie disponibili, come 74S ed ECL, ma quei cuccioli erano ancora più potenti maiali di TTL. Vai a cercare le tecniche di costruzione dei primi computer Cray.

Criteri numero 1: le giunzioni base-emettitore di un transistor che sono polarizzate inversamente non possono avere molto più di 6 volt. Iniziano a "fuoriuscire" e accumulano danni basati sul tempo.

Criteri numero 2: i chip logici del pugno erano bipolari e consumavano un po 'di corrente statica con conseguente calore. un voltaggio più alto significa più calore ...

criterio numero 3: la prima tecnologia dei chip utilizzata per il digitale soffriva di problemi di ridimensionamento. avevano bisogno di un po 'di distanza per "trattenere" una tensione di stallo. rendendo i chip poco pratici e costosi (il costo di un chip è definito in millimetri quadrati di superficie ...)

Mettilo in un mucchio e ti ritroverai con qualcosa che funziona tra 3 e 5 volt. A 3 volt i transistor non si sono commutati abbastanza velocemente per ottenere impulsi puliti, quindi si sono stabilizzati a 5 volt. Tutti i criteri soddisfacevano

Ora, per la prima tecnologia MOS si sono imbattuti in un altro problema. Avevano solo transistor NMOS. Non c'erano P-MOS (non avevano ancora capito il processo di impianto, stavano depositando regioni drogate attraverso la crescita dei cristalli in un forno e poi lo hanno inciso). Quindi hanno impilato transistor nmos per creare sistemi totem-pole. il problema è che ora hai bisogno di una tensione aggiuntiva per passare in alto e in basso. Quindi avrebbero potuto usare massa, 5 volt e 10 volt (per accendere il transistor superiore si alza il gate di 5 volt sopra la sua sorgente che si trova a 5 volt. Il problema è che questo non era compatibile con la logica bipolare. intorno.hanno usato -5 volt e l'hanno usato come livello di "massa". per creare un'uscita compatibile tutto ciò di cui avevano bisogno era un mos dai 5 volt al pin di uscita. accendi la parte superiore ogni volta che ottieni 5 volt in uscita. si spegne e si ottengono 0 volt. la logica interna utilizzava -5v come logica 0 e 0 volt come logica 1. Le prime CPU nella tecnologia NMOS hanno in realtà un pin da -5 volt.

Una volta potevano costruire sia PMOS che NMOS (quello che ora chiamiamo processo CMOS: semiconduttore di ossido di metallo complementare: significa sia n che p, sebbene quell'ossido di metallo ... per molto tempo non fosse vero ... iniziato così, se ne andò (usavamo polisilicio drogato come cancello senza bisogno di metallo ....) e ora è tornato) la tensione negativa era più necessaria.

c'erano altre tecnologie in giro come ECL che richiedeva anche una tensione negativa e utilizzava 5 volt e -3 volt come rotaie di alimentazione (sebbene i livelli logici per ecl siano come 1 volt e - 1,2 volt o qualcosa del genere. il consumo di energia in ECL è una costante, basta lanciare corrente da un loop a un altro) in modo da mantenere la compatibilità con i sistemi di alimentazione esistenti ..

è tutto storico e basato sulla praticità per la prima tecnologia dei circuiti integrati.

Un computer cray come il cray 1, ad esempio, non aveva un "regolatore" come lo intendiamo ora. hanno usato un convertitore rotante. un motore azionava un generatore che produceva una tensione di uscita a 6 fasi a 400 hertz. lo hanno risolto e si sono ritrovati con una piccola ondulazione a causa delle 6 fasi. quindi avevano bisogno di condensatori minimi (il cray 1 succhiava centinaia di ampere sui suoi binari di alimentazione ... essendo una macchina completamente ECL)

il "regolatore" controllava semplicemente la bobina di campo del generatore per regolare l'uscita di il generatore. quindi non hanno usato un transistor per regolare le centinaia di ampere. basta controllare la forza del magnete rotante e regolare la tensione di uscita del generatore.

ci sono tutti i tipi di trucchi del genere in queste prime macchine.

La tensione logica dipende in gran parte dai processi di fabbricazione CMOS mentre la tensione della batteria dipende dalla chimica della batteria. Entrambi sono molto indipendenti. Inoltre, non tutte le applicazioni logiche utilizzano una batteria e, in effetti, molte sono alimentate da AC.

La cosa più importante, tuttavia, è il fatto che la tensione logica è un fattore importante nel consumo di energia nella logica digitale. Pertanto, anche se devi regolare linearmente la tensione logica verso il basso da una tensione più alta, risparmierai energia riducendo la tensione logica. Quando si utilizza un regolatore a commutazione (noto anche come convertitore CC-CC), il risparmio energetico sarà ancora maggiore.

Per questo motivo, vediamo che le tensioni logiche tendono costantemente al ribasso con i dispositivi logici più recenti. La logica 5V, infatti, è per lo più obsoleta in questi giorni ed è usata principalmente solo dagli hobbisti oggi. 3.3V è molto più comune per la logica a livello di scheda, mentre la logica 2.5V e 1.8V sta crescendo in popolarità. Inoltre, molti circuiti integrati utilizzano internamente tensioni logiche ancora più basse (1,5 V e inferiore è comune).

Un altro problema è il fatto che, anche se una batteria è nominalmente 9 V o 12 V (o qualsiasi tensione possa essere) , la tensione effettiva potrebbe variare leggermente. Per questo motivo, sarebbe generalmente una buona idea utilizzare un regolatore di tensione per garantire una tensione di alimentazione più stabile e costante al fine di garantire un funzionamento più stabile e coerente. Ciò significa che la maggior parte dei progettisti cercherà una fonte di alimentazione che sia garantita essere superiore alla loro tensione di funzionamento poiché intendono regolarla comunque.

Uscendo su un arto e facendo un WAG che non raggiunge nemmeno lo stato SWAG, la mia scommessa è che le batterie erano a malapena una considerazione durante i brutti vecchi tempi del TTL. I computer digitali erano enormi schiere di chip TTL e le batterie sarebbero durate momenti. Calcolatrici e prodotti portatili simili tendevano verso le batterie da 9 V, che hanno una capacità abbastanza grande, e quelle venivano sostituite spesso.

In un certo senso, l'industria dei dispositivi mobili di oggi mostra una notevole convergenza di migliori famiglie di logica e migliore tecnologia della batteria. Per apprezzare veramente la moderna tecnologia delle batterie, è necessario possedere una calcolatrice TI-SR50 ad un certo punto della tua vita.

Come già detto, i vecchi sistemi ttl a 5 V consumano molta energia, quindi alimentarli a batteria sembra irragionevole. Ma c'è una ragione per il regolatore di tensione 5V. Il regolatore di tensione molto semplice è costituito da un diodo di riferimento zener con un transistor come inseguitore di tensione. 5.6 V zener è più stabile alla temperatura. Dopo una caduta di 0,6 V nel follower di tensione, c'è un'alimentazione stabile di 5 V.

Nota, anche se esiste una batteria da 5 V, il suo intervallo di tensione non sarebbe adatto ai requisiti TTL. TTL normalmente accetta un intervallo da 4,75 a 5,25 V, che è (più-meno) una tolleranza del 5%. La batteria a quattro celle NiCd più adatta fornisce un intervallo di tensione compreso tra 4,4 (completamente scarica) e 5,6 V (completamente carica), quindi è necessario un circuito integrato con almeno il 13% di tolleranza della tensione di alimentazione.

Il più adatto per applicazioni alimentate a batteria è CMOS tecnologia che storicamente accetta un intervallo di tensione molto ampio, diciamo da 3 a 15 V (vedere i chip della serie CD4000). Quindi accetta 4,5 V, 9 V o 12 V senza alcuna trasformazione.