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.
Nomenklatur
74er-Reihe
Die heutzutage 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 dies ein NAND-Baustein ist. 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 Prefix, z.B. 'SN' für Texas Instruments oder 'MC' für Motorola (inzwischen ON Semiconductor Corp). ICs unterschiedlicher Hersteller sind ohne weiteres austauschbar.
Aus einer eventuell zusätzlich auf dem IC-Gehäuse aufgedruckte Nummer, lässt sich das Herstellungsdatum ableiten, in diesem Fall die 45. Woche des Jahres 1976.
Eine Liste mit Kurzbeschreibung der gängigen 74er TTL-Bausteine findet sich im englischen Wiki zum Thema.
54er- und 84er-Reihen
Die ICs der oben genannten 74er-Reihe gibt es auch in Versionen, die in einem erweiterten Temperaturbereich betrieben werden können.
Prefix Temperaturbereich Bezeichnung 74' 0°C bis +70°C kommerziell 84' -25°C bis +85°C 54' -55°C bis +125°C militärisch
- (Quelle: [1])
4000er-Reihe
Die 4000er-Reihe ist eine CMOS-Logikfamilie. Sie hat heutzutage nur noch historischen Wert. Viele häufig verwendete Bausteine, wie z.B. der PLL-Chip 4046 wurden 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 heutzutage 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 anfänglich 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.
Bei den TTL-Schaltungen hat sich auch die Nummerierung von Texas Instruments durchgesetzt: Der erste Baustein der Reihe, bestehend aus vier NAND-Gattern mit je zwei Eingängen, wurde SN7400 genannt; spätere Bausteine erhielten nachfolgende Nummern. 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
Logische Schaltungen lassen sich nicht nur – wie bei TTL – mit bipolaren Transistoren, sondern auch mit Feldeffekttransistoren, sogenannten MOSFET, 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. 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, für engl. electo-static discharge), was leicht zur Zerstörung der Schaltkreise 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.
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 verwendeten ebenfalls die Nummerierung der 7400.
Weiterentwicklungen
Schottky-TTL (74Sx)
Bei Schottky-TTL wird durch den Einsatz von Schottky-Dioden verhindert, dass die Transistoren in Sättigung gehen. Dadurch erreichen sie eine höhere Schaltgeschwindigkeit.
Low Power Schottky TTL (74LSx)
Es folgte eine stromsparendere Variante, die Standard-TTL weitgehend ersetzte. LS-TTL entwickelte sich mit Abstand zur erfolgreichsten TTL-Logikfamilie.
Low Voltage TTL (74LVx)
Eine Variante, die statt mit 5V mit 3.3V Betriebsspannung arbeitet.
High Speed CMOS (74HCx) und High Speed CMOS TTL-Kompatibel (74HCTx)
Kombiniert den Vorteil der CMOS-Serie - niedriger Stromverbrauch - mit den Vorteilen der LS-TTL-Serie - höhere Geschwindigkeit und größere Treiberleistung. Die HC-Serie benötigt CMOS-Eingangspegel, die HCT-Serie TTL-Eingangspegel.
Weitere Logikfamilien
Weitere Logikfamilien sind:
- HLL, High-Level-Logic
- Langsame-Störsichere-Logik (LSL)
- Emittergekoppelte Logik (ECL)
- Integrierte Injektionslogik (I²L oder IIL) — auch als 'Strominjektionslogik', Merged Transistor Logic (MTL) und Current-Hogging Injection Logic (CHIL) bekannt
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 | Vorlage:Highlight3| 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 | Vorlage:Highlight3| 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 | Vorlage:Highlight3| 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 | |
| Vorlage:Highlight3| 10 E 100 | MC | -5,2 V | 0,4 ns | 20 pJ | ||
| Vorlage:Highlight3| 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 | Vorlage:Highlight3| 74 HC 00 | MC, MM, SP, SN, TC, PC |
5 V | 0,5 mW MHz-1 | 10 ns | 5 pJ MHz-1 |
| Vorlage:Highlight3| 74 HCT 00 | ||||||
| Advanced-CMOS | 74 AC 00 | SN, PC, F | 0,8 mW MHz-1 | 3 ns | 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 | |||
| ||||||
| Präfix | Hersteller |
|---|---|
| AM | AMD |
| HD | Hitachi |
| MC | Motorola |
| PC | Philips |
| M | STMicroelectronics |
| DM, MM, F | National Instruments |
| ⊔ | Signetics |
| SN | Texas Instruments |
| SP | SPI |
| TC | Toshiba |