Praxistipp Elektronik und Messtechnik: Digitale Logik-Familien Präsentiert von ELEKTOR, dem Magazin für Elektronik und Computertechnik Transistoren können bekanntlich nicht nur analoge Signale verstärken, sie sind auch als elektronische Schalter unentbehrlich. Diese "digitale" Eigenschaft ist es, die den Transistor zum meistverwendeten elektronischen Bauelement der Gegenwart macht. Durch die Integration von Transistor-Funktionen auf einem einzigen Chip lassen sich die verschiedenartigsten logischen Funktionen vom einfachen Gatter bis hin zum hoch komplexen Power-Mikroprozessor realisieren. Die Bedeutung der so genannten Logik-Familien, also der Gruppen von elementaren Logik-ICs in gleicher oder ähnlicher Technologie, spiegelt sich sowohl in ihrer Entwicklungsgeschichte als auch in ihrer Typenvielfalt wider. Der Entwicklungstrend verläuft in Richtung noch kleinerer und schnellerer Schaltungen bei noch niedrigerem Energiebedarf. Allerdings lassen sich die Geschwindigkeit und der Stromverbrauch aus physikalischen Gründen nur äußerst schwer gleichzeitig optimieren. In dieser Hinsicht stellt jede Logik-Familie einen gewissen Kompromiss dar, der auf spezifische Anwendungsbereiche zugeschnitten ist. In diesem Beitrag beschränken wir uns auf die Betrachtung von Logik-Familien, die für den Elektronik-Hobbyisten aktuell von Interesse sind. Elementare Strukturen Bild 1. TTL-Inverter. Eine seit Jahrzehnten auf dem Markt befindliche, aber immer noch aktuelle und viel verwendete Logik-Familie ist die TTL-Logik. Die Buchstaben TTL stehen für "Transistor-Transistor-Logik", sie deuten auf die elementare Schaltungsstruktur dieser Logik-Familie hin. Integrierte TTL-Schaltungen sind grundsätzlich mit bipolaren Transistoren aufgebaut. In Bild 1 ist die Schaltung eines TTL-Inverters dargestellt, während Bild 2 einen in CMOS-Technik aufgebauten Inverter zeigt. Bild 2. CMOS-Inverter. Die integrierten Logik-Schaltungen der CMOS-Familie bestehen im Gegensatz zu den TTL-Schaltungen aus NMOS- und PMOS-Feldeffekt-Transistoren. CMOS ist die Kurzbezeichnung für "Complementary Metal Oxide Semiconductor", was darauf hindeutet, dass die verwendeten Grundelemente (NMOS-FET und PMOS-FET) zueinander komplementär sind. Bild 3. BiCMOS-Inverter. In Bild 3 ist die Grundschaltung eines BiCMOS-Inverters dargestellt. Integrierte Bausteine dieser Logik-Familie bestehen aus Kombinationen von bipolaren Transistoren und zueinander komplementären Feldeffekt-Transistoren (NMOS und PMOS). Logik-Bausteine der CMOS-Familie haben einen wesentlich niedrigeren durchschnittlichen Energiebedarf als vergleichbare TTL-Bausteine, denn hier fließen Ströme im Prinzip nur während der Schaltvorgänge. Ein Nachteil der CMOS-Bausteine ist jedoch die hohe Empfindlichkeit ihrer Eingänge gegen statische Aufladungen und die dadurch hervorgerufenen hohen Eingangsspannungen. Wichtige Kenngrößen Beim Entwurf digitaler Schaltungen im Hobby-Bereich gehören die Beschaffbarkeit der Bauelemente im Fachhandel und natürlich auch die Kosten zu den wichtigen Auswahlkriterien. Im Bereich professioneller Anwendungen haben auch die Arbeitsgeschwindigkeit und der Energiebedarf der Bauelemente eine ähnlich wichtige Bedeutung. Unter diesem Aspekt werden digitale Logik-Familien meistens anhand des mathematischen Produkts aus Arbeitsgeschwindigkeit und Leistungsaufnahme klassifiziert. In Bild 4 ist dieses Produkt für verschiedene bekannte Logik-Familien in Form einer Grafik dargestellt. Es handelt sich um so genannte typische Werte vergleichbarer elementarer Funktionen (Inverter, Gatter), die Grundelemente aller digitalen Logik-Familien sind. Als Arbeitsgeschwindigkeit wird die Zeit betrachtet, die zwischen einer Signaländerung am Eingang und der dadurch hervorgerufenen Signaländerung am Ausgang vergeht; sie wird auch als Signal-Laufzeit bezeichnet. Bild 4. Das Produkt aus Laufzeit und Verlustleistung ist ein wichtigstes Auswahl-Kriterium. Das Diagramm in Bild 5 zeigt als Beispiel den Signalverlauf am Eingang und am Ausgang eines UND-Gatters. Die typische Signal-Laufzeit (propagation delay) beträgt hier ungefähr 3 ns. Nachdem das Eingangssignal auf logisch 1 gegangen ist, vergehen 3 ns, bis auch das Ausgangssignal auf logisch 1 geht. Signaländerungen in umgekehrter Richtung (von logisch 1 nach logisch 0) werden von diesem Gatter um die gleiche Signal-Laufzeit verzögert. Bild 5. Darstellung der Laufzeit eines CMOS-AND-Gatters. Eine fast ebenso wichtige Kenngröße wie die Laufzeit ist der so genannte Störabstand (noise margin). Dies ist die zulässige Spannungsdifferenz für ein bestimmtes logisches Signal (0 bzw. 1), gemessen zwischen dem steuernden und dem gesteuerten Gatter (Sender und Empfänger). Für logisch 1 (High) und logisch 0 (Low) ergeben sich rechnerisch folgende Störabstände: Störabstand Ausgang Logisch 1 = VOH [steuernde Schaltung] - VIH [gesteuerte Schaltung] Störabstand Ausgang Logisch 0 = VIL [gesteuerte Schaltung] - VOL [steuernde Schaltung] Um den Störabstand für logisch 1 zu erhalten, muss von der Spannung, die zu logisch 1 der treibenden Schaltung gehört (VOH), die Spannung abgezogen werden, bei der die empfangende Schaltung logisch 1 erkennt (VIH). Für logisch 0 gilt analog das Gleiche, hier muss jedoch mit den Spannungen VIL und VOL gerechnet werden. Auf diese einfache Weise kann man nicht nur der Störabstand bestimmen, sondern es ist auch feststellbar, ob zwei Logik-Familien hinsichtlich der Spannungspegel ihrer logischen Signale zueinander kompatibel sind. Wenn man als Störabstand einen negativen Wert erhält, bedeutet dies, dass die Logik-Familien zueinander inkompatibel sind! Zwei weitere wichtige Kenngrößen digitaler Logik-Schaltungen sind die Last, die ein Eingang für den treibenden Ausgang darstellt (Fan-In), sowie die Last, die ein einzelner Ausgang steuern kann (Fan-Out). Rechnerisch ergeben sich das Fan-In und das Fan-Out aus folgenden Beziehungen: Fan-Out Ausgang Logisch 1 = IOH [steuernde Schaltung] / IIH [gesteuerte Schaltung] Fan-Out Ausgang Logisch 0 = IOL [steuernde Schaltung] / IIL [gesteuerte Schaltung] Damit ist deutlich, dass auch das Fan-Out für beide logische Zustände getrennt ermittelt werden muss. Der gültige Fan-Out-Wert ist gleich dem niedrigeren Wert, der sich aus den beiden vorstehenden Beziehungen ergibt. Nach diesem Schema kann das Fan-Out nicht nur für Gatter bestimmt werden, die der gleichen Logik-Familie angehören. Es lässt sich auch anwenden, wenn Gatter unterschiedlicher Logik-Familien zusammengeschaltet werden sollen. Familien-Übersicht Nachdem die wichtigsten Kenngrößen genannt sind, soll nun die Übersicht über die wichtigsten Logik-Familien in Tabelle 1 betrachtet werden. In der ersten Spalte sind über den Kennbuchstaben der Familien die Betriebsspannungen angegeben, die zweite Spalte gibt Auskunft über die angewendete Halbleiter-Technologie. Unter "Kompatibilität" sind die Technologien aufgeführt, zu denen die Eingangs- bzw. Ausgangsspannungsbereiche kompatibel sind. Die Spannungsbereiche sind in Bild 6 in Form eines Diagramms dargestellt. Zu beachten ist, dass es sich bei allen angegebenen Werten lediglich um so genannte typische Werte handelt. Dies gilt natürlich auch für die angegebenen Zahlenwerte der Lastströme, der statischen Stromaufnahmen und der Gatter-Laufzeiten. Bei der konkreten Schaltungsentwicklung müssen immer die zu den Bauelementen gehörenden verbindlichen Angaben in den Datenblättern der Hersteller zu Grunde gelegt werden! Bild 6. Spannungsbereiche an den Eingängen und Ausgängen verschiedener Logik-Familien. Dvr (D) bedeutet Driver (steuernder Ausgang), Rvr (R) Receiver (empfangender Eingang). Quellenhinweis: David Daamen, Digitale Logik-Familien, Eine aktuelle Übersicht, Elektor 11/2003. Den vollständigen Artikel können Sie als PDF-Dokument hier herunterladen. Mehr Informationen auf der Elektor-Website www.elektor.de Lernen Sie Elektor unverbindlich im Probeabo kennen - 3 Hefte für nur € 12,50 Das bekommen Sie bei Conrad Electronic Beratung 0180/531 21 17 Bestellung 0180/531 21 11 (12 Cent/Min.) Artikel: C-MOS IC 4000 DIP Bestellnummer: 172510 - 62