Logikbausteine

Logikfamilien TTL

Die Bezeichnung TTL bedeutet Transistor-Transistor-Logik und beschreibt, dass sowohl die Signal-
Ein-, als auch die Auskopplung über Transistoren erfolgt.
Wesentliches Merkmal der TTL-Schaltung ist am Eingang der Multi-Emitter-Transistor. Er ist in allen
Schaltkreisen der Standard-TTL-Reihen 74xx zu finden, egal, wie komplex deren Innenleben auch ist.
Lediglich bei den High-Speed-Baureihen mit dem S oder LS in der Typenbezeichnung finden sich
statt der Multi-Emitter-Transistoren Schottky-Diodeneingänge, da deren Schaltzeiten wesentlich
kürzer sind als die von Transistoren. Der Multi-Emitter-Transistor besitzt mehrere Emitterzonen, die
an eine gemeinsame Basiszone grenzen

Logikfamilie CMOS

Die CMOS-Technologie (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) wird vor allem zur Erstellung digitaler Schaltungen verwendet. Die grundlegenden Bausteine der CMOS-Schaltungen sind P-Typ- und N-MOSFETransistoren. Ein P-Typ MOSFET kann als Schalter modelliert werden, der geschlossen wird, wenn die Eingangsspannung niedrig ist (0 V) und geöffnet ist, wenn die Eingangsspannung hoch ist (5 V). Ein N-Typ MOSFET kann als Schalter modelliert werden, der geschlossen wird, wenn die Eingangsspannung hoch ist (5 V) und sich öffnet, wenn die Eingangsspannung niedrig ist (0 V). Die Grundidee für die CMOS-Technologie ist es, P-Typ- und N-Typ-MOSFETs so zu kombinieren, dass es nie einen leitenden Weg von der Versorgungsspannung (5 V) zum Boden gibt. Daher verbrauchen CMOS-Schaltungen sehr wenig Energie. Die CMOS-Technologie verwendet zwei Transistortypen: n-Kanal und P-Kanal. Die beiden unterscheiden sich in den Eigenschaften der Halbleitermaterialien, die bei ihrer Implementierung und im Mechanismus verwendet werden, der die Leitung eines Stroms durch sie regelt.

CMOS und TTL Interface

Um eine optimale Leistung in einem digitalen System zu erzielen, können Geräte aus mehr als einer Logikfamilie verwendet werden, die die überlegenen Eigenschaften jeder Familie für verschiedene Teile des Systems nutzen. Zum Beispiel können CMOS-Logik-ICs in den Teilen des Systems verwendet werden, in denen eine geringe Ableitung der Leistung erforderlich ist, während TTL für die Teile des Systems verwendet werden kann, die eine hohe Betriebsgeschwindigkeit erfordern. Auch kann eine Funktion leicht in TTL verfügbar sein und andere können in CMOS verfügbar sein. Daher ist es notwendig, die Schnittstelle zwischen CMOS- und TTL-Geräten zu untersuchen.
CMOS und TTL sind die beiden am häufigsten verwendeten Logikfamilien. Obwohl ICs, die zu derselben Logikfamilie gehören, keine besonderen Schnittstellenanforderungen haben, das heißt, dass die Ausgabe des einen direkt den Input des anderen ernähren kann, ist dasselbe nicht wahr, wenn wir digitale ICs, die verschiedenen Logikfamilien angehören, miteinander verbinden müssen. Die Inkompatibilität von ICs, die verschiedenen Familien angehören, entsteht hauptsächlich aus unterschiedlichen Spannungsebenen und Stromanforderungen, die mit LOW- und HIGH-Logikzuständen an den Ein- und Ausgängen verbunden sind.

CMOS zu TTL

Die erste mögliche Art von CMOS-to-TTL-Schnittstelle ist die, bei der beide ICs von einer gemeinsamen Versorgung aus betrieben werden. Wir haben in früheren Abschnitten gelesen, dass die TTL-Familie eine empfohlene Versorgungsspannung von 5 V hat, während die CMOS-Familiengeräte über einen breiten Versorgungsspannungsbereich von 3V bis 18V arbeiten können. Im vorliegenden Fall würden beide ICs ab 5 V arbeiten. Was die Spannungspegel in den beiden Logikzuständen betrifft, sind beide kompatibel geworden. Die CMOS-Ausgabe hat einen VOH (min.) von 4,95V (für VCC 5 V) und einen VOL(max.) von 0,05 V, der mit VIH(min.) und VIL(max.) für TTL-Familiengeräte kompatibel ist. In der Tat, in einer CMOS-zu-TTL-Schnittstelle, mit den beiden Geräten, die auf demselben VCC arbeiten, ist die Spannungspegelkompatibilität immer da. Es ist die aktuelle Kompatibilität, die Aufmerksamkeit braucht. Das heißt, im LOW-Zustand muss die Ausgangsstrom-Senken-Fähigkeit des betreffenden CMOS-ICs mindestens dem Input-Strom-Senken-Anforderung des TTL-IC entsprechen. In ähnlicher Weise muss die HIGH-Ausgangsstrom-Antriebsfähigkeit des CMOS-IC die HIGH-Stufe-Anmerkung des TTL-IC entsprechen oder die HIGH-Stufe übertreffen. Für eine richtige Schnittstelle müssen beide oben genannten Bedingungen erfüllt sein. Als Faustregel gilt, dass ein CMOS-IC der 4000B-Familie (der am weitesten verbreiteten CMOS-Familie) eine LS TTL-Unit oder zwei Low-Power-TTL-Lastmengen füttern kann. Wenn ein CMOS-IC ein Standard-TTL- oder Schottky-TTL-Gerät angeschlossen ist, muss, ein CMOS-Puffer (4049B oder 4050B) verwendet werden. 4049B und 4050B sind Hex-Puffer für invertierbare und nicht-invertierungsartige Typen, wobei jeder Puffer zwei Standard-TTL treiben kann.

Abbildung unten zeigt eine CMOS-zu-TTL-Schnittstelle mit beiden Geräten, die von der 5V-Versorgung aus arbeiten, und dem CMOS-IC, der einen Low-Power-TTL-TTL-Gerät antreibt.

Logikbausteine

Abbildung unten zeigt eine CMOS-to-TTL-Schnittstelle, bei der das TTL-Gerät entweder ein Standard-TTL oder ein Schottky TTL ist.

Die CMOS-to-TTL-Schnittstelle, wenn die beiden auf verschiedenen Stromversorgungsspannungen arbeiten, kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Ein solches Schema ist unten gezeigt. In diesem Fall gibt es sowohl ein Spannungsniveau als auch ein Strompegel-Kompatibilitätsproblem.

In der TTL-to-CMOS-Schnittstelle ist immer die aktuelle Kompatibilität da. Die Spannungspegelverträglichkeit in den beiden Zuständen ist ein Problem. VOH (min.) der TTL-Geräte ist zu niedrig, was die VIH (min.) Anforderung der CMOS-Geräte betrifft. Wenn die beiden Geräte auf der gleichen Netzspannung arbeiten, also 5 V, erreicht ein Pull-up-Widerstand von 10 k Kompatibilität, wie es in der folgenden Abbildung gezeigt wird.

Der Pull-up-Widersung führt dazu, dass der TTL-Ausgang auf etwa 5V ansteigt, wenn HIGH. Wenn die beiden mit unterschiedlichen Netzteilen arbeiten, ist eine der einfachsten Schnittstellentechniken die Verwendung eines Transistors (als Schalter) zwischen den beiden, wie unten gezeigt.

Eine andere Technik ist es, einen offenen Kollektortyp TTL-Puffer wie unten gezeigt zu verwenden.