TTL und CMOS

Die Logik besteht aus einzelnen Logikbausteinen, die je nach Verwendung in einfachen oder komplexen Schaltungen untergebracht sind. Für die Bausteine existieren diskrete Spannungswerte für Ein- und Ausgang, die einen High-Pegel (1) oder einen Low-Pegel (0) definieren.

Die Bausteine kann man auf unterschiedliche Weise, mit unterschiedlichen Bauelementen verwirklichen. Man fasst die verschiedenen Techniken, die mit der Zeit immer weiter entwi­ckelt wurden, in Logikfamilien zusammen.

RTL	Resistor-Transistor-Logic	Widerstände und bipolare Transistoren
DCTL	Direct Coupled Transistor Logic	direkt miteinander gekoppelte bipolare Transistoren
DRL	Dioden-Resistor-Logic	Dioden und Widerstände
DTL	Dioden-Transistor-Logic	Dioden und Transistoren
TTL	Transistor-Transistor-Logic	Bipolare Transistoren
MOS	Metal Oxid Semiconductor	MOS-FETs

 

Digitalschaltungen der gleichen Logikfamilie zeichnen sich durch folgende Übereinstim­mungen aus:

• gleiche Betriebsspannung
• gleiche Ein- und Ausgangspegel
• gleicher Störabstand
• gleiche Signallaufzeit

Diese Logikfamilien haben, durch ihre Bauweise bedingt, Eigenschaften, die je nach Verwendung als Vor- oder als Nachteil gesehen werden.

Die bekanntesten und meist gebräuchlichsten – und auf die hier deshalb weiter einge­gangen wird – sind die Transistor-Transistor-Logic (TTL) und die Complementary Metal Oxid Semiconductor (CMOS).

 

TTL

Die TTL verwendet für den Aufbau Widerstände und Transistoren. Dieses System ist äußerst robust und schaltet, durch Einsatz von Schottky-Dioden, sehr schnell, d.h. die möglichen Taktfrequenzen sind hier relativ hoch.

Ein Nachteil bei der TTL ist der ständig fließende Ruhestrom – also die Verlustleistung – und die dadurch bedingte Erwärmung, wodurch die Komplexität bzw. die Menge der verwendeten Bausteine begrenzt wird.

Durch den sehr niedrigen Störabstand führen Störspannungen leicht zu Fehlfunktionen.

Kennwerte:

Betriebsspannung:	+5V ± 0,25V
Leistungsaufnahme:	10mW pro Verknüpfung
Störabstand:	0,4V
Signallaufzeit:	10 ns
IC-Kennung:	74xx
Pegel:	Eingang:        Low(L) = 0 – 0,8V ; High(H) = 2 – 5V Ausgang:       Low(L) = 0 – 0,4V ; High(H) = 2,4 – 3,8V

CMOS

Die Bauteile der CMOS-Familie sind aus MOS-FET-Transistoren vom n- und p-Kanaltyp aufgebaut, deshalb nennt man sie auch Complementary (ergänzend) MOS. Die Schaltungsfamilie ist einfach aufgebaut, hat eine hohe Integrationsdichte und kann preis­wert hergestellt werden.

Die Versorgungsspannung U_b kann bei CMOS-Bausteinen variabel zwischen +3V und +15V gewählt werden, weshalb die Pegel als Prozent von U_b angegeben werden. Ein H-Pegel am Eingang besteht bei einer Spannung von über 70% von U_b, ein L-Pegel bei unter 30%. Am Ausgang ist ungefähr U_b ein H-Pegel und 0V ein L-Pegel.

Die Leistungsaufnahme der Eingänge ist sehr gering durch die MOS-Technologie. Die Schaltzeiten sind länger als bei TTL.

Kennwerte:

Betriebsspannung:	+3V – +15V
Leistungsaufnahme:	10nW pro Verknüpfung
Störabstand:	1V
Signallaufzeit:	50 ns
IC-Kennung:	4xxx bzw. 74HC4xxx
Pegel:	Eingang:        Low(L) = 0 – 1,5V ; High(H) = 3,5 – 5V Ausgang:       Low(L) = 0 – 0,5V ; High(H) = 4,5 – 5V

Vorteilhaft bei CMOS ist die, u.a. durch fehlende Widerstände, kleine Bauart und die extrem kleine Verlustleistung bei niedrigen bis mittleren Taktfrequenzen. Dieses beruht darauf, dass kein Ruhestrom im taktfreien Zustand fließt.

Bei hohen Frequenzen steigt die dynamische Verlustleistung jedoch über TTL Niveau und Außerdem ist CMOS relativ empfindlich gegenüber statischer Aufladung.

 

Erläuterung der Kennwerte

Signallaufzeit und Signalüber­gangszeit

Die Signallaufzeit ist die Impulsverzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal.

Die Signalübergangszeit gibt an, in welcher Zeit sich der Signalwert von 10% auf 90% des ge­wünschten Signals geändert hat.

Störabstand

Je größer der Abstand zwischen den Low- und High-Pegeln zwischen Ein- und Ausgang ist, desto grö­ßer ist auch die Störsicherheit, das heißt der Schutz vor den Aus­wirkungen von Störspannungen.

Energiebedarf und Schaltgeschwindigkeit

TTL	MOS
bipolarer Transistor	CMOS-Transistor
Nur als Schließer nutzbar. Kleiner Basisstrom iB schaltet die Verbindung zwischen Emitter und Kollektor sehr schnell durch. Durch Abschalten des Basisstroms  iB wird die Verbindung zwischen Kollektor und Emitter sehr schnell getrennt. Zur Aufrechterhaltung der Verbindung muss  iB (im mA-Bereich)  weiterfließen.	Als Schließer und Öffner vorhanden. Der Gatestrom  iG lädt einen Kondensator. Ist dieser aufgeladen, schaltet die Verbindung zwischen Source und Drain durch bzw. wird getrennt. Für den anderen Schaltzustand muss ein gewisser Entladestrom fließen. Zur Aufrechterhaltung des Schaltzustands muss der Kondensator lediglich mit geringster Stromstärke ein wenig nachgeladen werden.
Schaltet sehr schnell, aber braucht ständig Energie, um den Schaltzustand zu  erhalten.	Schaltet langsamer, weil erst ein Lade-, bzw. Entladestrom fließen muss, benötigt  aber im Wesentlichen nur zum Schalten Energie.

D.h. in Computern wird im Wesentlichen CMOS-Technik verwendet.

(Für TTL- und CMOS-Familie sind einige Sonderbauformen verfügbar, der Einfachheit halber wurden hier nur die Grundformen dargestellt.)