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1-2-2023

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Bauelemente Ein

Bauelemente Ein Überblick: Für jede Anwendung die passende Logik-Familie Logik-Familien gibt es viele, und jede hat ihre Eigenheiten. Damit kann es zur Herausforderung werden, die passendste für die jeweilige Anwendung zu finden. Der Überblick hilft, die richtige, individuelle Entscheidung zu treffen. Das Aufmacherbild zeigt die Logikfamilien © Diodes Autor: Thomas Bolz, Corporate Product Manager Standard Products, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH www.rutronik.com Damit die Applikation funktioniert, müssen logische Verknüpfungen, Spannungsbereiche oder Logikebenen hinterlegt und Signale zwischen digitalen ICs übertragen werden. Die einfachste Lösung ist die Verwendung von Logik- Bausteinen. Durch diese wird eine simulierte Digitalschaltung in die Anwendung überführt. Jede Logik-Familie hat ihre spezifischen Eigenschaften. Die Bausteine unterscheiden sich in der Pegelhöhe und Versorgungsspannung, im Stör- bzw. Rauschabstand, der Gatterlaufzeit, der maximalen Frequenz, der Leistungsaufnahme sowie bei Fan-in / Fan-out. Zwei Familien bestimmen den Markt Der Markt wird von zwei großen Familien – jeweils mit ihren Unterfamilien – beherrscht. Zum einen sind das die Transistor-Transistor- Logik- (TTL) Gatter (Logik auf Bipolartransistor-Basis), zum anderen Bausteine basierend auf Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Technologie, also Feldeffekttransistoren mit gegensätzlicher Polarität. Die Mitglieder der TTL- Familie bestehen aus einem Satz von Logikgattern, die aus Transistoren, Dioden und Widerständen aufgebaut sind. Sie decken praktisch alle denkbaren Anwendungen mit Schaltkreisen niedrigen und mittleren Integrationsgrades ab. Die Signal- Ein- und -Auskopplung erfolgt über Transistoren. TTL-Gatter zeichnen sich durch kurze Schaltzeiten und einen verhältnismäßig hohen Ausgangsstrom aus, der es gestattet, kleinere Lasten direkt anzusteuern. Die Treibermöglichkeit eines hohen Ausgangsstroms geht gleichzeitig einher mit einer hohen Ruhestromaufnahme und somit auch mit einem relativ hohen Leistungsbedarf. Das erzwingt wiederum große Chip flächen, um die entstehende Verlustwärme abzuführen und begrenzt die Integrationsdichte. Beispiele für TTL-Familien sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Logiken auf Basis der CMOS- Technologie werden aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile – beispielsweise geringerer Stromverbrauch und weniger Rauschen – inzwischen am häufigsten verwendet. Ihr Grundbaustein ist die Kombination eines n-Kanal-MOSFETs Familie Eigenschaft 74 xx Standard TTL 74 H xx Highspeed TTL Tabelle 1: Die TTL-Familien und ihre Eigenschaften mit dem komplementären p-Kanal- MOSFET (Bild 2). In jedem Schaltzustand ist einer der beiden MOSFETs gesperrt und der Ruhestrom ist näherungsweise Null; es fließen nur Isolations- und Sperrschichtleckströme von wenigen Nanoampere. Zudem ist die Schaltung größtenteils frei von parasitären Widerständen, wodurch CMOS- Gatter während des statischen Zustands keine Energie verbrauchen. Allerdings ist die mittlere Stromaufnahme des CMOS-Gatters abhängig von der Umschaltfrequenz und steigt mit der Frequenz: Der überwiegende Verbrauch entsteht bei der Auf- und Entladung der Transistorkapazitäten C T . Beim Aufladen wird Energie gespeichert, gleichzeitig wird dieselbe Menge im aufladenden FET in Wärme umgesetzt. Beim Entladen wird die im Kondensator gespeicherte Energie im entladenden FET in Wärme umgesetzt. Das heißt, bei einem Low-High-Low- Zyklus wird die Energie in Wärme umgewandelt. Daraus ergibt sich die folgende Verlustleistung: 74 ALS xx Advanced Low Power Schottky TTL, schnell und energiesparend 74 AS xx Advanced Schottky TTL, die schnellste erhältliche TTL-Familie 74 F xx Fast TTL, sehr schnelle TTL-Familie 74 L xx Low Power TTL 74 LS xx Low Power Schottky TTL (Ersatz für 74 und 74L), schnell und energiesparend 74 S xx Schottky TTL, schnelle Standard-TTL-Reihe 14 PC & Industrie 1-2/2023

Bauelemente Beispiele für CMOS-Familien sind in Tabelle 2 aufgeführt. Pegel bei der TTL- und der CMOS-Technologie In einem Logikgatter sind die Spannungsbereiche zur Ansteuerung für die Ausgangssignale schmaler als die der Eingangs signale. Das führt bei der Zusammenschaltung mehrerer Grundschaltungen dazu, dass Störsignale und Rauschen in gewissen Grenzen nicht zu einem Fehlverhalten der Gesamtschaltung führen. Die sich nicht überlappenden Bereiche zwischen Eingang und Ausgang (bzw. High- und Low- Pegel) werden als Rauschabstände SH und SL bezeichnet. Ein TTL-Eingang erkennt über den gesamten Versorgungsspannungsbereich hinweg zwischen 0 und 0,8 V eine logische 0 und von 2 bis 5 V eine logische 1. Der Spannungsbereich zwischen 0,8 und 2 V ist eine verbotene Zone. Ein Signal, das über längere Zeit in diesem Bereich anliegt, kann das Gatter zum Schwingen anregen und eine Fehlfunktion auslösen. Am Ausgang liegen die Pegel für 1 zwischen 2,4 und 5 V und die 0-Pegel zwischen 0 und 0,4 V (Bild 4, links). Ein CMOS-Gatter erkennt bei 5 V Versorgungsspannung zwischen 0 V und 1,5 V am Eingang einen logischen 0-Pegel und zwischen 3,5 und 5 V einen logischen Bild 1: Standard-Symbol für Logikgatter mit einer Vielzahl von Varianten bei Gehäuse und Kanalzahl 1-Pegel. Am Ausgang sind die Werte entsprechend 0 - 0,5 V für logisch 0 und 4,5 - 5 V für logisch 1. Liegt eine Spannung von 5 V an, sind die Störabstände bei CMOS bereits größer als bei TTL (siehe Bild 4). Da bei CMOS die Pegel von der Betriebsspannung abhängen – als Faustformel gilt U ih = 0,7*U v – ergibt sich die Möglichkeit, durch eine höhere Betriebsspannung den Störabstand am Gattereingang zu vergrößern. Diese Option besteht bei TTL nicht. Je größer der Störabstand eines Gatters ist, desto kleiner ist die Wahrscheinlichkeit einer Fehlfunktion und desto verrauschter kann ein Signal sein, ohne Fehlfunktionen auszulösen – ein eindeutiger Vorteil der CMOS-Technologie. Bild 2: Grundbaustein aller CMOS-Gatter ist eine aus zwei komplementären MOSFETs bestehende Stufe. Dies ist die einfachste Form des Inverters Bild 3: Modellierung der Verlustleistung eines CMOS-Gatters Eigenschaften der CMOS- und TTL-Technologien in der Übersicht • Da CMOS einen geringen Strombedarf hat, ist die Spannungsversorgung billiger und für die Energieverwaltung einfacher zu gestalten als mit TTL-Elementen. • CMOS-Komponenten verbrauchen im statischen Zustand keinen Strom, aber der Stromverbrauch steigt mit der Taktrate. TTL-Bauteile hingegen haben einen konstanten Stromverbrauch. • Aufgrund längerer Anstiegs- und Abfallzeiten in CMOS-Gatter müssen digitale Signale weniger aufwendig aufbereitet werden. • CMOS-Familien haben einen weiteren Betriebsspannungsbereich als TTL. Er reicht von 3 V bis 15 V. So kann CMOS sowohl in TTL-Schaltungen als auch in analoge Schaltungen eingebunden werden, die mit höheren Spannungen arbeiten. Das erspart den Spannungsregler und damit auch Verlustleistung und Bauteilekosten. Familie Eigenschaft 74 AC Advanced CMOS 74 ACT AC mit TTL-kompatiblen Eingängen 74 HC High Speed CMOS 74 HCT HC mit TTL-kompatiblen Eingängen 74 AHC Advanced High-Speed CMOS 74 AHCT AHC mit TTL-kompatiblen Eingängen 74 VHC Very High Speed CMOS 74 VHCT VHC mit TTL-kompatiblen Eingängen 74 LV Low-Voltage CMOS 74 LVC Low-Voltage CMOS (Vcc 1,65 - 3,60 V, Eingänge sind auch bei niedriger Vcc bis 5,5 V tolerant) 74 LVX Low-Voltage CMOS (Vcc 2,00 - 3,60 V, Eingänge sind auch bei niedriger Vcc bis 5,5 V tolerant) Tabelle 2: CMOS-Familien und ihre Eigenschaften • TTL ist robuster gegenüber elektromagnetischen Störungen. CMOS-Bausteine hingegen sind relativ empfindlich gegenüber statischer Aufladung und müssen gegen elektrostatische Entladungen (ESD) geschützt werden. • Aus der Geschwindigkeit multipliziert mit der Leistung pro Gatter (Speed Power Product, SPP) lässt sich die Energiebilanz der Bauteile ableiten. Sie wird in Picojoule pro Gatter angegeben. Je niedriger ihr Wert, desto besser. CMOS übertrifft TTL deutlich mit einem Wert von 0,18 pJ/Gatter zu 150 pJ/Gatter. • Bei der Eingangsbeschaltung besteht ein entscheidender Unterschied zwischen beiden Technologien: Unbenutzte TTL-Eingänge können offenbleiben, wenn die Umgebung störungsfrei ist, da sie stets 1-Pegel annehmen. Bei CMOS muss jeder Eingang des Gatters auf ein definiertes Potenzial gelegt werden, da sie leicht Störimpulse einfangen und es so zu undefinierten Schaltungszuständen kommen kann. • CMOS hat einen größeren Störabstand zwischen Low- und High-Signalpegel als TTL und ist somit weniger anfällig für Störungen. PC & Industrie 1-2/2023 15

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