Der einfache Grund ist, dass im Mittelalter (wie in den 1950er und 1960er Jahren) niemand, der bei klarem Verstand ist, versuchen würde, Logik mit Batterien zu betreiben. Die ersten Logikfamilien RTL, DTL und der große Gewinner TTL waren bipolar und nicht CMOS. Die Ströme lagen je nach Verbindung in der Nähe von 2 - 20 mA / Gate. Eine Logikschaltung mit angemessener Größe würde also Stromstärken ziehen, und Systeme, die 100 Ampere ziehen, waren keine Seltenheit. Darüber hinaus waren Blei-Säure und NiCad die einzigen weit verbreiteten Chemikalien für wiederaufladbare Batterien. Keiner von beiden würde eine Kapazität von 10 bis Hunderten von Amperestunden in irgendetwas Tragbarem bieten.

Mit der weit verbreiteten Akzeptanz von TTL wurden die CMOS-Nachfolgerfamilien (74HC, HCT, ACT usw. ad nauseum) so konzipiert, dass sie mit TTL kompatibel sind, was einen 5-Volt-Betrieb bedeutete (obwohl Sie feststellen werden, dass 74HC arbeitet über 3 - 6 Volt). Die große Ausnahme war die CD4000-Serie, die einen viel größeren Betriebsbereich hatte (und hat). Dann, als die Fab-Prozesse kleiner und die Geräte schneller wurden, dominierten die Niederspannungsfamilien, bis, wie KGregory betont, 5 V kommerziell nicht viel verwendet wird, zumindest nicht für völlig neue Designs.

Die Ursprünge von 5V / TTL waren eine Reihe von Design-Kompromissen. Wenn Sie ein Schema eines TTL-Gatters finden, werden Sie feststellen, dass es intern mindestens 3 Diodentropfen sowie verschiedene Widerstandstropfen benötigt. Was Ihnen nicht sagt, ist die Wahl der Referenzströme (1,6 mA für einen niedrigen Eingang), die teilweise durch die Strompegel bestimmt wurde, die erforderlich sind, um akzeptable Schaltgeschwindigkeiten zu erzeugen. Diese Strompegel setzen wiederum Grenzen für die internen Widerstandswerte und die Spannungen, die für deren Einspeisung erforderlich sind. Sie müssen auch den Zustand der Halbleiterfabrikationsfähigkeit berücksichtigen - die ersten TTL-Schaltungen befanden sich am Rande dessen, was zuverlässig hergestellt werden konnte. Stellen Sie sich vor - 20 bis 100 Tore auf einem Chip! Das sind Hunderte von Transistoren, deren Masken alle von Hand ausgelegt sind. All dies, einschließlich der Verlustleistungsgrenzen, führte zu der Standard-TTL-Versorgungsspannungsspezifikation von 4,75 bis 5,25 Volt. Wie sich herausstellte, war dies ein ausreichend großer Spielraum für praktische Systeme, und die Geschwindigkeit (10 bis 20 MHz) war für einen breiten Anwendungsbereich ausreichend. So wurde TTL König. Selbst dann, wenn Sie eine schnellere Geschwindigkeit wollten, standen andere Familien zur Verfügung, wie 74S und ECL, aber diese Welpen waren noch größere Kraftschweine als TTL. Schauen Sie sich die Konstruktionstechniken für die ersten Cray-Computer an.

Kriterium Nummer 1: Basis-Emitter-Übergänge eines Transistors, die umgekehrt polarisiert sind, dürfen nicht viel mehr als 6 Volt haben. Sie beginnen zu "lecken" und akkumulieren zeitbasierten Schaden.

Kriterium Nummer 2: Faustlogik-Chips waren bipolar und hatten einen ziemlich statischen Stromverbrauch, der zu Wärme führte. Höhere Spannung bedeutet mehr Wärme ...

Kriterium Nummer 3: Die für digitale Geräte verwendete frühe Chip-Technologie litt unter Skalierungsproblemen. Sie brauchten einiges an Abstand, um eine Abstandsspannung zu halten. Chips unpraktisch und teuer machen (die Kosten für einen Chip werden in Quadratmillimetern Oberfläche definiert ...)

Wenn Sie diese auf einen Haufen werfen, erhalten Sie etwas, das zwischen 3 und 5 Volt funktioniert. Bei 3 Volt schalteten die Transistoren nicht schnell genug, um schöne saubere Impulse zu erhalten, so dass sie sich bei 5 Volt einpendelten. Alle Kriterien erfüllten

Für die frühe MOS-Technologie stießen sie nun auf ein anderes Problem. Sie hatten nur NMOS-Transistoren. Es gab kein P-MOS (sie hatten den Implantationsprozess noch nicht herausgefunden, sie haben dotierte Bereiche durch Kristallwachstum in einem Ofen abgeschieden und dann geätzt.) Also stapelten sie nmos-Transistoren, um Totempfahlsysteme herzustellen. Das Problem ist, dass Sie jetzt eine zusätzliche Spannung benötigen, um oben und unten zu wechseln. Sie hätten also Masse, 5 Volt und 10 Volt verwenden können (um den oberen Transistor einzuschalten, heben Sie sein Gate 5 Volt über seine Quelle an, die bei 5 Volt liegt. Das Problem ist, dass dies nicht mit der bipolaren Logik kompatibel war. Also drehten sie das Zeug um Sie verwendeten -5 Volt und verwendeten diese als "Erdungspegel", um einen kompatiblen Ausgang zu erzeugen. Alles, was sie brauchten, war ein Mos von den 5 Volt bis zum Ausgangsstift Wenn es ausgeschaltet ist, werden 0 Volt ausgegeben. Die interne Logik verwendet -5 V als logische 0 und 0 Volt als logische 1. Frühe CPUs in der NMOS-Technologie haben tatsächlich einen Pin von -5 Volt.

Früher konnten sie sowohl PMOS als auch NMOS konstruieren (was wir jetzt als CMOS-Prozess bezeichnen: komplementärer Metalloxidhalbleiter: bedeutet sowohl n als auch p, obwohl dieses Metalloxid ... lange Zeit nicht wahr war ... es war begann so, ging weg (wir verwendeten dotiertes Polysilicium als Gate, ohne dass Metall benötigt wurde ...) und ist jetzt zurück) die negative Spannung wurde länger benötigt.

Es gab andere Technologien wie ECL das erforderte auch eine negative Spannung und verwendete 5 Volt und -3 Volt als Versorgungsschienen (obwohl die Logikpegel für ecl wie 1 Volt und - 1,2 Volt oder so ähnlich sind. Der Stromverbrauch in ECL ist eine Konstante, die Sie einfach werfen Strom von einer Schleife zur anderen), so dass die Kompatibilität mit vorhandenen Stromversorgungssystemen erhalten bleibt.

Es ist alles historisch und basiert auf der Praktikabilität für die frühe Technologie integrierter Schaltkreise.

Ein Cray-Computer wie der Cray 1 zum Beispiel hatte keinen "Regler", wie wir es jetzt verstehen. Sie benutzten einen Rotationskonverter. Ein Motor trieb einen Generator an, der eine 6-Phasen-Ausgangsspannung von 400 Hertz erzeugte. Sie haben das korrigiert und aufgrund der 6 Phasen nur eine sehr geringe Welligkeit festgestellt. Daher benötigten sie nur minimale Kondensatoren (der Cray 1 saugte Hunderte von Ampere an seinen Stromschienen ... als Voll-ECL-Maschine).

Der 'Regler' steuerte nur die Feldspule des Generators, um die Leistung von einzustellen der Generator. Sie verwendeten also keinen Transistor, um die Hunderte von Ampere zu regeln. Kontrollieren Sie einfach die Stärke des sich drehenden Magneten und regulieren Sie die Ausgangsspannung des Generators.

In diesen frühen Maschinen gibt es alle möglichen Tricks.

Die logische Spannung hängt weitgehend von den CMOS-Herstellungsprozessen ab, während die Batteriespannung von der Batteriechemie abhängt. Beide sind sehr unabhängig. Darüber hinaus verwendet nicht jede Logikanwendung eine Batterie, und tatsächlich werden viele von Wechselstrom gespeist.

Am wichtigsten ist jedoch die Tatsache, dass die Logikspannung einen wesentlichen Beitrag zum Stromverbrauch in der digitalen Logik leistet. Selbst wenn Sie die Logikspannung von einer höheren Spannung aus linear regeln müssen, sparen Sie Strom, indem Sie die Logikspannung reduzieren. Bei Verwendung eines Schaltreglers (auch bekannt als DC-DC-Wandler) ist die Energieeinsparung sogar noch größer.

Aus diesem Grund sehen wir, dass die Logikspannungen bei neueren Logikgeräten stetig nach unten tendieren. 5V-Logik ist heutzutage meist veraltet und wird heute meist nur noch von Hobbyisten verwendet. 3,3 V sind bei Logik auf Platinenebene weitaus häufiger anzutreffen, während 2,5 V- und 1,8 V-Logik immer beliebter werden. Darüber hinaus verwenden viele ICs intern noch niedrigere Logikspannungen (1,5 V und weniger sind üblich).

Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass eine Batterie nominell 9 V oder 12 V (oder eine beliebige Spannung) hat. kann die tatsächliche Spannung ziemlich stark schwanken. Aus diesem Grund wäre es im Allgemeinen eine gute Idee, einen Spannungsregler zu verwenden, um eine stabilere und konsistentere Versorgungsspannung zu gewährleisten, um einen stabileren und konsistenteren Betrieb sicherzustellen. Dies bedeutet, dass die meisten Entwickler nach einer Stromquelle suchen, die garantiert höher als ihre Betriebsspannung ist, da sie beabsichtigen, diese ohnehin herunter zu regeln.

Ich gehe auf die Beine und mache eine WAG, die nicht einmal den SWAG-Status erreicht. Ich wette, dass Batterien in den schlechten alten TTL-Tagen kaum eine Rolle spielten. Digitale Computer waren riesige Anordnungen von TTL-Chips, und Batterien hätten Momente gedauert. Taschenrechner und ähnliche Handheld-Produkte tendierten zu 9-V-Batterien mit relativ großer Kapazität, die häufig ausgetauscht wurden.

In gewisser Weise zeigt die heutige Mobilgeräteindustrie eine bemerkenswerte Konvergenz von besseren Logikfamilien und besserer Batterietechnologie. Um die moderne Batterietechnologie wirklich richtig einschätzen zu können, müssen Sie zu einem bestimmten Zeitpunkt in Ihrem Leben einen TI-SR50-Rechner besessen haben.

Wie bereits erwähnt, verbrauchen alte 5-V-ttl-Systeme viel Strom, sodass die Batterieversorgung unangemessen erscheint. Es gibt jedoch einen Grund für einen 5-V-Spannungsregler. Sehr einfache Spannungsregler bestehen aus einer Zenerdiodenreferenz mit einem Transistor als Spannungsfolger. 5,6 V Zener ist am temperaturstabilsten. Nach einem Spannungsabfall von 0,6 V liegt die stabile Spannung bei 5 V.

Hinweis: Selbst wenn eine 5-V-Batterie vorhanden ist, entspricht der Spannungsbereich nicht den TTL-Anforderungen. TTL akzeptiert normalerweise einen Bereich von 4,75 bis 5,25 V, was (plus-minus) 5% Toleranz entspricht. Der am besten geeignete Akku mit vier NiCd-Zellen bietet einen Spannungsbereich von 4,4 (vollständig entladen) bis 5,6 V (vollständig aufgeladen), sodass Sie einen IC mit einer Versorgungsspannungstoleranz von mindestens 13% benötigen.

Am besten für batteriebetriebene Anwendungen geeignet ist CMOS Technologie, die historisch gesehen einen sehr großen Spannungsbereich akzeptiert, beispielsweise 3 bis 15 V (siehe Chips der CD4000-Serie). Es akzeptiert also 4,5 V, 9 V oder 12 V ohne Transformationen.