4.5. Grundsätzliches zum logischen Schaltverhalten history menue Letztmalig dran rumgefummelt: 14.02.08 05:30:14
Die Grundschaltungen der Digitaltechnik, z. B. die UND-Schaltung, gehören zu den binären Elementen (DIN 40900). Werden diese von einem Signal am Eingang angesteuert, so dauert es eine kurze Zeit, bis sich der Pegel am Ausgang so ändert, dass dort en Signal abgenommen werden kann. Diese Zeit nennt man Signallaufzeit (Laufzeit, Gatterlaufzeit, Verzögerungszeit).
Es gibt Schaltungsfamilien (Schaltungsarten auf genau definierten Herstellungstechnologien basierend) mit kleiner, mittlerer und großer Signallaufzeit. Innerhalb derselben Schaltungsfamilie ist die Signallaufzeit um so größer, je kleiner die erforderliche Leistungsaufnahme je binäres Element ist. Das gilt auch oft bei verschiedenen Schaltungsfamilien - zudem existieren Mischtechnologien, also in einem einigen Schaltkreis für verschiedene Logikstufen verschiedene Technologien (z. B. der Siebensegmentdecoder V4511). Natürlich werden auch solche Bauelemente in einer technologischen Hauptgruppe geführt - beim 4511 in der CMOS-Technologieo obwohl seine Ausgänge wegen des Leistungsbedarfs in Standard-TTL gefertigt werden.
1. Fertigungstechnologie und technische Daten
2. Logische Grundschaltungen
3. Einsatzbedingungen und Einsatzschaltungen (Fertigungstechnologien)
4. Logisches Ausgangsverhalten realer elektronischer Schaltungen
5. Verwandte Themen

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Schalteverhalten und Fertigungstechnologien

begrenzt verwendbar - selbst aufpassen, ab welcher Stelle es Blödsinn wird ;-)

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1968 - 1976
  • CMOS-Reihe
  • CD4000A
  • 10 ns - 10 mW (je Gatter)
  • ohne Ausgangsbuffer
 Ab 1976
  • CMOS-Reihe
  • CD4000/4500B
  • 35 ns - 1 mW (je Gatter)
  • mit Ausgangsbuffer
 Ab 1976
  • LOCMOS-Reihe
  • HEF4000B
  • 6 ns - 22 mW (je Gatter)
  • mit Ausgangsbuffer
 Ab 1981
  • High-Speed-CMOS-Reihe
  • 74HC
  • (QMOS)
  • mit Ausgangsbuffer

Übersicht über die 4 verschiedenen CMOS-Baureihen

1. Fertigungstechnologie und technische Parameter history menue scroll up
Leider der Widerspruch in sich: die schnellsten Bauelemente haben einen enormen Stromverbrauch! Am besten wäre maximale Schaltfrequenz bei Strömen gleich Null pro Schaltfunktion - derzeit leider nicht zu machen - es sei denn, Du findest diese Technologie zu günstigen Fertigungskonditionen für große Stückzahlen mal so nebenbei.
Momentan liegt der günstigste Aspekt auf der CMOS-Technologie - zumal hier auch noch preisgünstig mit nur wenig Belichtungsschritten bei Strömen faktisch im µA-Bereich.
Spannungen, Stromstärken, Leistungsumsätze und Laufzeiten von Binärelementen

Familie

Ue in V

Ie in µA

Ub in V
(typisch)

tL in ns
(je Element)

PV in W
(je Element)

Ua in V

Pamax in mW

PV • tL in pJ
H L

H

L

 H L
Standard-TTL 2 0,8 40 -1600 5 10 10 3,3 0,2 12 100
Schottky-TTL 2 0,8 20 -360 5 3 19 3,4 0,5 12 57
ECL -1 -1.4     -5,5 5 50 -0,8 -1,8 25 250
CMOS von U abhängig     3 bis 15 50 0,01   von U abhängig 0,1 0.5
wobei gilt: H entspricht High-Pegel; L entspricht Low-Pegel; Ie entspricht Eingangsstrom;

Übersicht Baulelemente-Funktion und Chip-Fertigungstechnologie

Signallaufzeiten und mittlere Leistungsaufnahmen von binären Schaltelementen

Langsame binäre Elemente erfordern nur wenig Leistung, schnelle erfordern eine große Leistung.
Die Leistungsaufnahme eines binären Elements wird von seiner Betriebsspannung und von seiner Ansteuerung hervorgerufen. Für die mittlere Leistungsaufnahme ist es ziemlich unerheblich, ob das binäre Element angesteuert ist. Die Stromaufnahme und damit die Leistungsaufnahme kann sogar ohne Ansteuerung (L-Pegel) besonders groß sein.
In Datenblättern ist die mittlere Leistungsaufnahme je binäres Element oder je IC (Gehäuse) angegeben. Anstelle einer Eingangsleistung wird in Datenblättern meist der Eingangslastfaktor (Fan-In) angegeben. Dieser gibt an, um wie viel mal höher der Eingangsstrom als bei einem einfachen binären Element sein kann.
 

Signallauf-Verhalten binärer Schaltelemente mit zwei Eingängen sowie einem Ausgang

Signallauf-Verhalten binärer Schaltelemente mit zwei Eingängen sowie einem Ausgang
2. Logische Grundschaltungen history menue scroll up
Streng genommen besteht auch der modernste und schnellste Mikroprozessor nur aus sehr vielen Verbindungen eines einzigen Bausteines - mit einer NAND-Funktion evtl. noch mit mehreren Eingängen lässt sich jede höhere Logik nachbilden.
 

Symbole logischer Grundfunktionen

Signallaufzeiten in integrierten Logikschaltungen

Bei digitalen Schaltkreisen erfolgt die Potentialänderung am Ausgang stets verzögert zur Potentialänderung am Eingang. Man spricht daher von einer Verzögerungszeit oder Schaltzeit. (Zu den Schaltzeiten rechnet man auch die Impulsflankendauer) Die Verzögerungszeiten tPLH und tPHL sind die wichtigsten Kenngrößen digitaler Schaltkreise. Je kleiner sie sind, desto größere Impulsfrequenzen kann der Schaltkreis verarbeiten.

  1. Zu den Bezeichnungen tPLH bzw. tPHL
    • Der Index P ist die Abkürzung von "propagation delay" (Signalverzögerung)
    • mit LH und HL ist immer die Ausgangs - bzw. verzögerte Flanke gemeint.
  2. Allgemeine Beschreibungen sprechen im Zusammenhang mit tPLH bzw. tPHL oft von der Schaltgeschwindigkeit (z. B. Hochgeschwindigkeitsbaureihen). Je kleiner tP ist, desto größer ist die Schaltgeschwindigkeit. Ein direktes Maß für die Schaltgeschwindigkeit ist nicht bekennt.

Die Verzögerungszeit des NAND-Gatters wird als charakteristische Kenngröße jeder TTL-Baureihe angesehen und für Vergleichszwecke benutzt
Bei sequentiellen Schaltungen, z. B. Flipflops, Zählern, Schieberegistern, ist weniger die Schaltzeit als vielmehr die Taktfrequenz von Interesse, bis zu der der Schaltkreis noch einwandfrei arbeitet. Datenblätter enthalten (wie bei den Verzögerungszeiten) eine typische und eine wesentlich kleinere garantierte (unter Worst-Gase-Bedingungen) bzw. Mindest-Taktfrequenz.
In den Tafeln 2.1 und 2.2 ist zu jedem Gatter die Verzögerungszeit und in den Tafeln 3.1 und 3.2 zu jedem Flipflop die Taktfrequenz (typisch und garantiert) angegeben; Tafel 4.3 enthält hierzu Vergleichswerte für verschiedene TTL-Baureihen.
Beim Vergleich der Kennwerte muss auf unterschiedliche Last- und Meßbedingungen geachtet werden.
In der folgenden Tafel unten sind Schaltzeiten und Taktfrequenzen der 7 TTL-Baureihen zusammengestellt.

zur Beachtung

  1. Die statischen Eigenschaften (garantierte Werte) werden in den Datenblättern gewöhnlich für den ganzen UCC- und Temperaturbereich (4,75...5,25 V) bzw. 4,5..5,5 V und 0-..70 °C), die dynamischen Eigenschaften aber nur bei UCC = 5 V, 0 = +25 °C und für den Lastfaktor FLA =10 angegeben. Die typischen statischen Werte gelten dagegen nur bei UCC = 5 V und Ü = 25 °C.
  2. LH- und HL-Flanke werden unterschiedlich verzögert. Die von der Standard-Reihe her bekannte Eigenschaft tPLH > tPHL trifft bei der LS und S-Reihe nicht mehr zu; hier besitzt die HL-Flanke die größere Verzögerungszeit. Die Kenntnis dieser Unterschiede ist oft wichtig für den Aufbau von Systemen, wenn sich z. B. mehrere Impulsflanken überschneiden oder nicht überschneiden sollen.
  3. Die mittlere Verzögerungszeit ist das arithmetische Mittel aus der Verzögerung einer LH und HL-Flanke tP = (tPLH + tPHL) - 0,5. Dieser Wert ergibt, mit der Anzahl hintereinander liegender Gatter multipliziert, die Gesamtverzögerung der Anordnung (strenggenommen nur bei geradzahliger Anzahl).
  4. Ob beim Systementwurf mit der garantierten maximalen Verzögerungszeit oder mit den typischen Werten zu rechnen ist, lässt sich nicht allgemein festlegen. Es gibt einerseits kritische Stellen, wo aus Sicherheitsgründen die garantierten Werte notwendig sind, und andererseits auch Fälle, wo die zu groß angesetzten garantierten Werte zu Schwierigkeiten führen und besser mit den typischen Werten gerechnet werden sollte.
    Unter Normalbedingungen (5 V, -}-25 °C) liefern die typischen Werte recht verläßliche Ergebnisse.
TTL-Baureihe Schaltzeiten Taktfrequenz bezogen auf FlipFlop 7474 Meßbedingungen
  Gatter-Verzögerungszeit Impulsflanke    
  tPLH
typ./max.
in ns		 tPHL
typ./max.
in ns		 tLH
typ./max.
in ns		 tHL
typ./max.
in ns		 typ./gar. MHz  
74-er Standard-Reihe 11/22 7/15 10 5 25/15

CL = 15 pF
UCC = 5 V
σ =25 °C
74LS 9/15 10/15 9,5 6 33/25
74S 3/4,5 3/5 2,7 2 110/75
74ALS 4/ 5/ 5 5 50/40
74H 6/10 6/10 25 25 43/35
74L 35/60 30/60 7 7 3/2,5
Statische Kenndaten

Grenzdaten sind Grenzwerte, die unbedingt eingehalten werden müssen. Sie gelten meist bei 25 °C. Kenndaten sind die aus der Fertigung ermittelten Mittelwerte. Sie gelten bei 25 °C und der vorgesehenen Speisespannung. Der Streubereich wird für den schlechtesten Fall (worst-case*) angegeben. Charakteristische Kennlinien geben über das Betriebsverhalten Aufschluss. Die Übertragungskennlinien eines Schaltgliedes geben den Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung an. Sie hängen von der Belastung und der Temperatur ab. Man entnimmt aus den Übertragungskennlinien die Pegel und den statischen Störabstand.
Weitere Daten sind der Eingangslastfaktor (fan in) und der Ausgangslastfaktor (fan out). Der Eingangslastfaktor gibt die Belastung eines Eingangs bezogen auf den Zustand H oder Zustand L an.
Der Ausgangslastfaktor gibt an, wie oft ein Ausgang den Eingangsstrom eines Eingangs mit FL = 1 übernehmen kann. Man unterscheidet dabei L-Ausgangslastfaktor und H-Ausgangslastfaktor.
Dynamische Daten

Die Signal-Laufzeit tp gibt die Impulsverzögerung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal an, wenn das Signal von L nach H (tPLH) bzw. von H nach L (tPHL) wechselt.
Die Signal-Übergangszeiten tTLH und tTHL der Impulsflanken werden zwischen den Kennlinienpunkten von 10 % und 90 % der Ausgangsspannungs-Kennlinie ermittelt (siehe dazu Bild oben).
Die Paarlaufzeit tPD gibt die Signalverzögerung an, die zwei Reihe geschaltete Verknüpfungsglieder bewirken. Sie ergibt sich
zu tPD = tPLH + tPHL = 2 tP.
Störsicherheit

Der statische Störabstand gibt den zulässigen Spannungshub an, der den Zustand des Schaltgliedes noch nicht ändert.
Die dynamische Störsicherheit gibt das Verhalten der integrierten Schaltungen gegenüber Störimpulsen an, deren Dauer klein ist gegenüber der Signal-Laufzeit. Man unterscheidet dabei zwischen Eingangsempfindlichkeit und Empfindlichkeit gegen kapazitive Störeinkopplung (Übersprechstörungen).
Einfluss der Lastkapazität

Die Verzögerungszeit ist von mehreren Parametern abhängig. Den weitaus stärksten Einfluss hat die am Ausgang angeschaltete Lastkapazität CL.
Normalerweise wird tP bei 15 pF und bei dem Lastfaktor FLA = 10 angegeben, was den meisten praktischen Einsatzfällen entspricht (1 pF Eingangskapazität je Vielfachemittereingang; der größte Teil der 15 pF entfällt auf die Eingangskapazität der Meßanordnung).
Häufig interessiert aber die Schaltzeit bei größeren Lastkapazitäten (angeschlossene Leitungen u. ä.). Für diese Fälle ist in den Bildern 6.4 bis 6.7 die Abhängigkeit der Verzögerungszeiten tPLH und trEIL von CL angegeben.
Zu den Bildern 6.4 bis 6.7:

  1. Die Werte für RL beziehen sich auf die Ersatzlast (Schaltung nach Bild 6.23) und bilden für die Baureihe jeweils den Lastfaktor FLA = 10 nach.
  2. Mit zunehmender Lastkapazität CL vergrößern sich die Schaltzeiten, weil der Innenwiderstand RI die Lade- und Entladeströme begrenzt, so dass ein großes CL mehr Zeit zur Auf- und Entladung benötigt. Je kleiner RI ist, desto weniger ändert sich tP mit CL. Im Vergleich zu CMOS-Schaltkreisen mit Ausgangsimpedanzen RI = 0,5...1 k0 ist bei den TTL-Schaltkreisen der CL-Einfluss auf die Schaltzeiten immer noch gering.
  3. Der Schaltkreisausgang stellt für CL einen Impulsgenerator mit dem Innenwiderstand RI dar. Der dynamische Innenwiderstand RI hat für die LH- und HL-Flanken verschiedene Werte; er ist außerdem stromabhängig und verändert sich zeitlich im Verlauf einer Impulsflanke. Die üblichen Werte der 74er Reihe von 12 S2/110 0 sind wirksame
3. Einsatzbedingungen und Einsatzschaltungen (Fertigungstechnologien) history menue scroll up
Logik klar - dann lautete die historische Frage, wie das alles zu bauen und anschließend zu optimieren sei. Anfangs hat man das alles mit Röhren, später mit Transistoren und Dioden bewerkstelligt, bis man anfangs der 60er Jahre auf die Idee kam, dass auf den Siliziumchip für den Transistor auch mehr draufpasst als genau ein Transistor. Das war dann der Anfang der Mikroelektronik.

TTL-Technologie
CMOS-Technologie
4. Logisches Ausgangsverhalten realer elektronischer Schaltungen history menue scroll up
Streng genommen besteht auch der modernste und schnellste Mikroprozessor nur aus sehr vielen Verbindungen eines einzigen Bausteines - mit einer NAND-Funktion evtl. noch mit mehreren Eingängen lässt sich jede höhere Logik nachbilden.
Totempol-Ausgang
Open Collector-Ausgang
und von besonderer Bedeutung: Tri-State-Ausgänge

Siehe unter: Verwandte Themen - Kanonische Normalformen
Siehe unter: Verwandte Themen - KV-Diagramme
5. Verwandte Themen history menue scroll up
Hier nun taucht alles das auf, was nicht unmittelbar und direkt in Punkt 4.5 auftauchen kann und soll, was aber einen Bezug im weitesten Sinne zum Thema besitzt. Wäre schließlich schade, wenn man hier Schluss macht, obwohl's gerade erst richtig los geht.

Logische Grundschaltungen

Beschreibung des Eingangssignalverhaltens für die Party-Aufgabe

Übersicht zur Zusammenfassung und Verkürzung logischer Ausdrücke

Logiktabelle mit 5 Eingängen und 4 Ausgängen

Karnaugh-Veitch-Tafel für 4-Eingangs-Logiken

Schmitt-Trigger

zur Hauptseite		 © Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost im September 2006

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehemn ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist

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