Logikfamilie

Logikfamilie bezeichnet in der Digitaltechnik eine Reihe von Bausteinen (normalerweise als Integrierte Schaltungen), die elementare (wie Logikgatter) und meist auch komplexere logische Schaltungen zur Verfügung stellen. Die Bausteine einer Familie sind mit dem gleichen Herstellungsprozess gefertigt, verwenden die gleiche Schaltungstechnik, haben ähnliche elektrische sowie mechanische Eigenschaften und lassen sich somit problemlos kombinieren.

Der Begriff Logikfamilie wird, in einem weiter gefassten Sinne, oft auch zur Bezeichnung einer Schaltungstechnik verwendet. Eine bloße Übereinstimmung der verwendeten Schaltungstechnik garantiert jedoch nicht, dass zwei Schaltungen kompatibel sein müssen.

Inhaltsverzeichnis

Nomenklatur

74er-Reihe

Texas Instruments SN7400 im 14-poligen DIP-Gehäuse

Die heute am häufigsten eingesetzten Logikbausteine stammen aus der sogenannten 74er-Reihe, deren Typnummer mit 74 beginnt (siehe Foto rechts). Die anschließende Zahlenkombination identifiziert die Logikfunktion der Schaltung, die 00 im Beispiel bedeutet, dass es sich um einen NAND-Baustein handelt. Später wurden weitere Logikfamilien entwickelt, die sich in der Herstellungstechnik und den verwendeten Spannungspegeln unterscheiden (und weiterem, siehe unten), nicht aber in der Logikfunktion. Um diese Familien von der ursprünglichen zu unterscheiden, fügt man Buchstaben zwischen die 74 und die „Funktionsnummer“ ein. Z. B. hat ein in Low Power Schottky-Technologie produziertes NAND-Gatter die Bezeichnung 74LS00.

Oft setzt der Hersteller noch zwei Buchstaben vor das Präfix, z. B. 'SN' für Texas Instruments oder 'MC' für Motorola (inzwischen ON Semiconductor Corp). ICs unterschiedlicher Hersteller können sich in weiteren Daten unterscheiden (z. B. der maximalen Taktfrequenz), sie sind daher nicht immer ohne weiteres austauschbar.

Aus einer eventuell zusätzlich auf dem IC-Gehäuse aufgedruckten Nummer lässt sich das Herstellungsdatum ableiten, in diesem Fall die 45. Woche des Jahres 1976.

Alle Bausteine dieser Reihe sowie auch alle Nachfolgerreihen werden in DIP-Gehäusen ausgeliefert, heutzutage wahlweise auch in der SMD-Version davon.

54er- und 84er-Reihen

Die Bauelemente der oben beschriebenen 74er-Reihe gibt es auch in Versionen für erweiterte Temperaturbereiche.

Prefix Temperaturbereich Bezeichnung
74' 0 °C bis +70 °C kommerziell
84' −40 °C bis +85 °C industriell
54' −55 °C bis +125 °C militärisch

4000er-Reihe

Die 4000er-Reihe ist eine CMOS-Logikfamilie. Sie wird heute nur noch selten eingesetzt. Viele häufig verwendete Bausteine, wie z. B. der PLL-Chip 4046 wurden auch in die 74er-Reihe übernommen. Die Bezeichnung lautet dann z. B. 74HCT4046.

Entstehung der Logikfamilien

Erste Logikfamilien (RTL / DTL)

Die erste eigentliche Logikfamilie war die Widerstands-Transistor-Logik, meist kurz RTL (für engl. resistor transistor logic) genannt. Diese integrierten Schaltungen bestehen ausschließlich aus Widerständen und Transistoren, die logischen Verknüpfungen werden durch Reihen- beziehungsweise Parallelschaltung der Transistoren erreicht. RTL ist eine Schaltungstechnik, die Hersteller haben verschiedene proprietäre Bausteinfamilien hergestellt.

Bei der Diode-Transistor-Logik (DTL) werden eingangsseitig die logischen Verknüpfungen über Dioden erzeugt und danach mit einer Transistorstufe verstärkt und invertiert. DTL ist ebenfalls als Schaltungstechnik mit inkompatiblen Baureihen zu verstehen. Die langsame störsichere Logik (LSL) ist eine Variante von DTL.

RTL und DTL sind heute nur noch von historischem Interesse.

Transistor-Transistor-Logik (TTL)

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) hat die Diodennetze an den Eingängen durch Transistoren mit mehreren Emitter-Anschlüssen ersetzt. Obwohl anfangs etliche Halbleiterhersteller eigene Logikfamilien in TTL-Schaltungstechnik hergestellt hatten, setzte sich die TTL-Familie von Texas Instruments bald als Industriestandard durch. Die restlichen Hersteller gaben ihre proprietären Reihen auf und produzierten TTL-Schaltungen mit den gleichen Spezifikationen wie Texas Instruments.

Auch die Nummerierung von Texas Instruments hat sich durchgesetzt: Der erste Baustein der Reihe, bestehend aus vier NAND-Gattern mit je zwei Eingängen, wurde SN7400 genannt, bei den nachfolgenden wurde die Nummer hochgezählt. Andere Hersteller ersetzen lediglich das Präfix SN durch eigene Buchstabenfolgen, beispielsweise DM7400 bei National Semiconductor. 7400 oder kurz '00 wurde so zur generischen (herstellerunabhängigen) Bezeichnung für vier NAND-Gatter in TTL-Technik. (Siehe auch: 74xx)

Diese TTL-Logikfamilie wurde sehr schnell durch Varianten erweitert, die auf niedrigen Stromverbrauch bzw. hohe Schaltgeschwindigkeit optimiert waren und Low-Power-TTL bzw. High-Speed-TTL genannt werden. Aus den Typennummern 74L00 und 74H00 haben sich die Familienbezeichnungen L-TTL und H-TTL oder auch 74L und 74H ergeben. Die ursprüngliche 7400-Logikfamilie wird oft Standard-TTL genannt, um sie von den modifizierten TTL-Familien und vom Überbegriff TTL (im Sinne von TTL-Schaltungstechnik) abzugrenzen.

CMOS

Pinbelegung für vierfaches NAND-Gatter mit je zwei Eingängen bei TTL (7400) und CMOS (4011)

Logische Schaltungen lassen sich nicht nur mit bipolaren Transistoren, sondern auch mit Feldeffekttransistoren (genauer: MOSFETs) realisieren. Die ersten Schaltungstechniken mit MOSFET wurden PMOS und NMOS genannt und verwendeten ausschließlich p-Kanal-MOSFET oder n-Kanal-MOSFET. PMOS- oder NMOS-Schaltungstechnik wurde zwar für viele Digitalschaltungen wie Mikroprozessoren eingesetzt, jedoch entstanden keine eigentlichen Logikfamilien.

CMOS (für Complementary MOS) ist eine Weiterentwicklung von PMOS und NMOS und verwendet eine komplementäre Schaltung, d. h. n- und p-Kanal-MOSFET werden paarweise eingesetzt.

Serie 4000

RCA Semiconductor entwickelte mit der Serie 4000 die erste Logikfamilie in CMOS-Technik, die sich dann – wie die 7400-Familie bei der TTL-Technik – als Industriestandard durchsetzte und von diversen Herstellern produziert wurde. Verglichen mit TTL zeichnet sich diese Familie durch sehr geringen Stromverbrauch, einen weiten Bereich für die Versorgungsspannung, aber auch langsame Schaltvorgänge und leistungsschwache Ausgangstreiber aus.

Eine große Schwäche der 4000 war die hohe Empfindlichkeit gegen elektrostatische Entladungen (ESD, engl. electrostatic discharge), was leicht zur Zerstörung der Schaltung führen konnte. Die Logikfamilie 4000B verringerte dieses Problem mit verbesserten Eingangsschutzschaltungen und brachte weitere Verbesserungen der elektrischen Spezifikationen. Die 4000 und später die 4000B erreichten nie die Verbreitung der TTL-Schaltungen, die 4000B werden aber auch heute noch produziert und eingesetzt.

Die 4000er-Familie verwendet eine eigene Nummerierung, ein vierfaches NAND-Gatter mit je zwei Eingängen wird beispielsweise 4011 (’11) genannt und nicht 7400 ('00 bzw. 74H00, 74L00, 74LS00, usw.) wie bei den TTL-Bausteinen. Zusätzlich zur abweichenden Nummer ist auch die Pinbelegung unterschiedlich: Obwohl die IC beider Familien im gleichen 14-poligen DIP erhältlich sind, liegen Ein- und Ausgänge auf anderen Anschlüssen; die Bausteine sind in keinem Fall austauschbar.

Serie 74HC

Die 74C-Logikfamilie von National Semiconductor behebt diesen Nachteil: Diese Bausteine waren zwar in CMOS-Technik konstruiert, vergleichbar mit den 4000B, verwendeten jedoch Nummerierung, Funktionsdefinitionen und Pinbelegungen der 7400-Reihe. Die 74C-Familie erlangte keine große Bedeutung, aber die nachfolgenden CMOS-Familien 74HC… und 74HCT… verwendeten ebenfalls diese Nummerierung. Sie sind somit pinkompatibel, funktionskompatibel und weitgehend elektrisch kompatibel zu den früheren TTL-Schaltkreisen und besitzen auch vergleichbare Geschwindigkeiten. Der Vorteil gegenüber jenen ist der geringere Eingangsstrom und der geringere Versorgungsstrombedarf. 74HC und 74HCT unterscheiden sich durch die zulässige Toleranz der Betriebsspannung und den Bereich erlaubter beziehungsweise verbotener Eingangspegel. So sind Bausteine der Baureihe 74HCT mit ihren Eingängen kompatibel zu 3-Volt-Logikpegeln, 74HC jedoch nicht.

Weitere Logikfamilien

Weitere Logikfamilien sind:

Hersteller-Präfixe
Präfix Hersteller
AM AMD
HD Hitachi
MC Motorola
PC Philips
M STMicroelectronics
DM, MM, F National Semiconductor
Signetics
SN Texas Instruments
SP SPI
TC Toshiba
Übersicht über die wichtigsten Logikfamilien
Familie Typ Hersteller-
Präfix
UB PV tpd Verbrauch
PV·tpd
Transistor-Transistor-Logik (TTL)
Standard-TTL 7400 ⊔, SN, MC, DM 5 V 10 mW 10 ns 100 pJ
Low-Power-Schottky-TTL 74 LS 00 2 mW 10 ns 20 pJ
Schottky-TTL 74 S 00 ⊔, SN, DM 19 mW 3 ns 57 pJ
Low-Power-Advanced-TTL 74 ALS 00 SN, MC, DM 1 mW 4 ns 4 pJ
Fast-TTL 74 F 00 ⊔, F, MC, SN 4 mW 3 ns 12 pJ
Advanced-TTL 74 AS 00 SN 10 mW 1,5 ns 15 pJ
Emittergekoppelte Logik (ECL)
Standard-ECL 10.100 ⊔, MC, F −5,2 V 35 mW 2 ns 60 pJ
10.200 MC 1,5 ns 50 pJ
High-Speed-ECL 1.600 70 mW 1 ns 70 pJ
10 H 100 35 mW 35 pJ
100.100 ⊔, F −4,5 V 50 mW 0,75 ns 38 pJ
10 E 100 MC −5,2 V 0,4 ns 20 pJ
100 E 100 −4,5 V 40 mW 16 pJ
Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)
Standard-CMOS 4.000 TC 5 V
15 V
0,3 mW MHz−1
3 mW MHz−1
90 ns
30 ns
30 pJ MHz−1
90 pJ MHz−1
14.000 MC
74 C 00 MM
High-Speed-CMOS 74 HC 00 MC, MM, SP,
SN, TC, PC
2–6 V 0,5 mW MHz−1 ~10 ns
(spannungs-
abhängig)
5 pJ MHz−1
74 HCT 00
Advanced-CMOS 74 AC 00 SN, PC, F 0,8 mW MHz−1 ~3 ns
(spannungs-
abhängig)
2 pJ MHz−1
74 ACT 00 SN, F
Low-Voltage-CMOS 74 LV 00 SN, PC, MM, TC 3,3 V 0,6 mW MHz−1 14 ns 8 pJ MHz−1
74 LVC 00 0,5 mW MHz−1 7 ns 4 pJ MHz−1
74 ALVC 00 0,4 mW MHz−1 4 ns 2 pJ MHz−1
Hinweise
  • wichtige Bausteine rot hervorgehoben
  • Standard-CMOS-Bausteine arbeiten wahlweise mit 5 V oder mit 15 V; die zugehörigen Werte stehen rechts daneben

Literatur

  • TTL-Taschenbuch. IWT Verlag Vaterstetten, 1996 oder neuer
  • Pocket Guide. Texas Instruments, 1983 oder neuer

Weblinks


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