La raison simple est qu'à l'époque des ténèbres (comme les années 50 et 60), personne de sensé n'essaierait d'alimenter la logique avec des piles. Les premières familles logiques, RTL, DTL, et le grand gagnant, TTL, étaient bipolaires et non CMOS. Les courants étaient de l'ordre de 2 à 20 mA / porte, en fonction de l'interconnexion. Donc, tout circuit logique de taille raisonnable tirerait des ampères de courant, et les systèmes tirant des centaines d'ampères n'étaient pas inconnus. De plus, les seules chimies de batteries rechargeables largement disponibles étaient le plomb-acide et le NiCad. Aucun de ceux-ci n'allait fournir une capacité de 10 à des centaines d'ampères-heures dans quoi que ce soit de portable.

Avec l'acceptation généralisée du TTL, les familles CMOS successives (74HC, HCT, ACT, etc. ad nauseum) ont été conçues pour être compatibles avec TTL, ce qui signifiait un fonctionnement en 5 volts (bien que vous remarquiez que 74HC fonctionne sur 3 - 6 volts). La grande exception était la série CD4000, qui avait (et a) une plage de fonctionnement beaucoup plus large. Ensuite, à mesure que les processus de fabrication devenaient plus petits et que les appareils étaient plus rapides, les familles à basse tension ont commencé à dominer jusqu'à ce que, comme le souligne KGregory, le 5V ne soit vraiment pas beaucoup utilisé dans le commerce, du moins pour des conceptions entièrement nouvelles.

Quant aux origines du 5V / TTL, c'était un ensemble de compromis de conception. Si vous trouvez un schéma d'une porte TTL, vous remarquerez qu'elle a besoin d'au moins 3 gouttes de diode en interne, plus diverses gouttes de résistance. Ce que cela ne vous dit pas, c'est le choix des courants de référence (1,6 mA pour une entrée basse) qui a été en partie déterminé par les niveaux de courant requis pour produire des vitesses de commutation acceptables. Ces niveaux de courant fixent à leur tour des limites sur les valeurs de la résistance interne et les tensions nécessaires pour les alimenter. Vous devez également prendre en compte l'état de la capacité de fabrication des semi-conducteurs - les premiers circuits TTL étaient à la limite de ce qui pouvait être produit de manière fiable. Imaginez - 20 à 100 portes sur une puce! C'est (avalez) des centaines de transistors, avec les masques tous disposés à la main. Tout cela, y compris les limites de dissipation de puissance, a abouti à la spécification de tension d'alimentation TTL standard de 4,75 à 5,25 volts. Il s'est avéré que c'était une marge suffisamment large pour les systèmes pratiques, et la vitesse (10 - 20 MHz) était adéquate pour une large gamme d'applications. Donc TTL est devenu roi. Même dans ce cas, si vous vouliez une vitesse plus rapide, il y avait d'autres familles disponibles, comme 74S et ECL, mais ces chiots étaient encore plus puissants que TTL. Allez chercher les techniques de construction des premiers ordinateurs Cray.

Critère numéro 1: les jonctions base-émetteur d'un transistor à polarisation inverse ne peuvent pas avoir beaucoup plus de 6 volts. Ils commencent à «fuir» et accumulent des dommages basés sur le temps.

Critère numéro 2: les premières puces logiques étaient bipolaires et avaient une consommation de courant statique assez importante entraînant de la chaleur. une tension plus élevée signifie plus de chaleur ...

critère numéro 3: les premières technologies de puce utilisées pour le numérique ont souffert de problèmes de mise à l'échelle. ils avaient besoin d'un peu de distance pour «maintenir» une tension de coupure. rendant les puces peu pratiques et coûteuses (le coût d'une puce est défini en millimètres carrés de surface ...)

Jetez cela dans un tas et vous vous retrouvez avec quelque chose qui fonctionne entre 3 et 5 volts. À 3 volts, les transistors ne commutaient pas assez «vite» pour obtenir de belles impulsions propres, ils se sont donc installés à 5 volts. Tous les critères sont remplis

Maintenant, pour les premières technologies MOS, ils ont rencontré un autre problème. Ils n'avaient que des transistors NMOS. Il n'y avait pas de P-MOS (ils n'avaient pas encore compris le processus d'implantation, ils déposaient des régions dopées par croissance cristalline dans un four, puis les gravaient.) Ils ont donc empilé des transistors nmos pour créer des systèmes de totems. Le problème est que vous avez maintenant besoin d'une tension supplémentaire pour commuter le haut et le bas. Ils auraient donc pu utiliser la masse, 5 volts et 10 volts (pour allumer le transistor supérieur, vous soulevez sa grille de 5 volts au-dessus de sa source qui se trouve à 5 volts. Le problème est que ce n'était pas compatible avec la logique bipolaire. Alors ils ont renversé le truc environ. ils ont utilisé -5 volts et l'ont utilisé comme niveau de `` masse ''. pour créer une sortie compatible, tout ce dont ils avaient besoin était un mos du 5 volts à la broche de sortie. allumez le plus haut, vous obtenez 5 volts. il s'éteint et vous obtenez une sortie de 0 V. la logique interne utilisait -5v comme logique 0 et 0 volts comme logique 1. Les premiers processeurs de la technologie NMOS ont en fait une broche -5 volts.

Autrefois, ils pouvaient construire à la fois PMOS et NMOS (ce que nous appelons maintenant le processus CMOS: semi-conducteur à oxyde de métal complémentaire: signifiant à la fois n et p, bien que ce métal-oxyde ... pendant longtemps n'était pas vrai ... il a commencé comme ça, est parti (nous avons utilisé du polysilicium dopé comme grille pas besoin de métal ....) et maintenant est de retour) la tension négative n'était plus nécessaire.

il y avait d'autres technologies comme l'ECL qui nécessitaient également une tension négative et utilisaient 5 volts et -3 volts comme rails d'alimentation (bien que les niveaux logiques pour ecl soient comme 1 volt et - 1,2 volts ou quelque chose comme ça. la consommation d'énergie en ECL est une constante, il suffit de jeter courant d'une boucle à une autre) afin de maintenir la compatibilité avec les systèmes d'alimentation existants.

tout est historique et basé sur l'aspect pratique des premières technologies de circuits intégrés.

Un ordinateur cray comme le cray 1 par exemple n'avait pas de «régulateur» tel que nous le comprenons maintenant. ils ont utilisé un convertisseur rotatif. un moteur entraînait un générateur qui produisait une tension de sortie à 6 phases à 400 hertz. ils ont rectifié cela et se sont retrouvés avec très peu d'ondulations en raison des 6 phases. ils avaient donc besoin de condensateurs minimes (le cray 1 aspirait des centaines d'ampères sur ses rails d'alimentation ... étant une machine entièrement ECL)

le 'régulateur' contrôlait simplement la bobine de champ du générateur pour régler la sortie de le générateur. ils n'ont donc pas utilisé de transistor pour régler les centaines d'ampères. il suffit de contrôler la force de l'aimant en rotation et de réguler la tension de sortie du générateur.

il y a toutes sortes de trucs comme ça dans ces premières machines.

La tension logique dépend en grande partie des processus de fabrication du CMOS tandis que la tension de la batterie dépend de la chimie de la batterie. Les deux sont très indépendants. De plus, toutes les applications logiques n'utilisent pas de batterie et, en fait, beaucoup sont alimentées en courant alternatif.

Le plus important, cependant, est le fait que la tension logique est un contributeur majeur à la consommation d'énergie en logique numérique. Par conséquent, même si vous devez réguler linéairement la tension logique à partir d'une tension plus élevée, vous économiserez de l'énergie en réduisant la tension logique. Lors de l'utilisation d'un régulateur à découpage (également appelé convertisseur DC-DC), les économies d'énergie seront encore plus importantes.

Pour cette raison, nous voyons les tensions logiques constamment à la baisse avec les nouveaux dispositifs logiques. La logique 5V est en fait pour la plupart obsolète ces jours-ci et n'est principalement utilisée que par les amateurs aujourd'hui. 3,3 V est beaucoup plus courant pour la logique au niveau de la carte, tandis que la logique 2,5 V et 1,8 V gagne en popularité. De plus, de nombreux circuits intégrés utilisent des tensions logiques encore plus faibles en interne (1,5 V et moins est courant).

Un autre problème est le fait que, même si une batterie est nominalement de 9 V ou 12 V (ou n'importe quelle tension) , la tension réelle peut fluctuer un peu. Pour cette raison, il serait généralement judicieux d'utiliser un régulateur de tension pour garantir une tension d'alimentation plus stable et plus cohérente afin d'assurer un fonctionnement plus stable et cohérent. Cela signifie que la plupart des concepteurs rechercheront une source d'alimentation qui est garantie supérieure à leur tension de fonctionnement puisqu'ils ont l'intention de la réguler de toute façon.

En sortant sur une branche, et en faisant un WAG qui n'atteint même pas le statut SWAG, mon pari est que les batteries étaient à peine une considération pendant les mauvais vieux jours TTL. Les ordinateurs numériques étaient d'énormes tableaux de puces TTL et les batteries auraient duré quelques instants. Les calculatrices et les produits portables similaires avaient tendance à utiliser des piles 9V, qui ont une capacité assez grande, et celles-ci étaient souvent remplacées.

À certains égards, l'industrie actuelle des appareils mobiles montre une convergence remarquable entre de meilleures familles logiques et une meilleure technologie de batterie. Pour vraiment apprécier la technologie de batterie moderne, il est nécessaire que vous possédiez une calculatrice TI-SR50 à un moment de votre vie.

Comme déjà dit, les anciens systèmes ttl 5V consomment beaucoup d'énergie, donc les alimenter par batterie semble déraisonnable. Mais il y a une raison pour le régulateur de tension 5V. Le régulateur de tension très simple consiste en une référence de diode Zener avec un transistor comme suiveur de tension. 5,6 V zener est le plus stable en température. Après une chute de 0,6 V du suiveur de tension, il y a une alimentation stable de 5 V.

Notez que même si une batterie 5V existe, sa plage de tension ne conviendrait pas aux exigences TTL. Le TTL accepte normalement la plage de 4,75 à 5,25 V, soit une tolérance (plus-moins) de 5%. La batterie à quatre cellules NiCd la mieux adaptée offre une plage de tension de 4,4 (complètement déchargée) à 5,6 V (complètement chargée), vous avez donc besoin d'un circuit intégré d'au moins 13% de tolérance de tension d'alimentation.

Le CMOS est le plus approprié pour les applications alimentées par batterie technologie qui accepte historiquement une plage de tension très large, disons 3 à 15 V (voir puces de la série CD4000). Il accepte donc 4,5 V, 9 V ou 12 V sans aucune transformation.