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Logicafamilies

EIN Logikfamilie ist eine Sammlung elektronischer Logikgatter, die mit einem bestimmten Herstellungsverfahren hergestellt werden.

EIN Integrierter Schaltkreis (IC) besteht aus einer Vielzahl von logischen Gattern. Diese Logikgatter gehören zur Logikfamilie, die mit dem IC-Herstellungsprozess verbunden ist.

Das gewählte Herstellungsverfahren hat große Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften. Daher ist es wichtig, zu welcher Logikfamilie ein IC gehört.

Hauptlayout

Es gibt acht Hauptkategorien von Logikfamilien.

Die folgende Liste ist grob nach der Art der Logik geordnet, die auf dem Markt erscheint. Zwischen Klammern steht die Abkürzung, die oft nach der Beschreibung der verwendeten Fertigungstechnik auf dem jeweiligen IC aufgedruckt ist, dies spiegelt natürlich die englische Form der Beschreibung der Logik wider:

  1. Diodenlogik (DL)
  2. Widerstandstransistorlogik (RTL)
  3. Dioden-Transistor-Logik (DTL)
  4. Transistor-Transistor-Logik (TTL)
  5. Emittergekoppelte Logik (ECL)
  6. CMOSLogik (CMOS)
  7. NMOS-Logik und PMOS-Logik (NMOS) und (PMOS)
  8. BiCMOS-Logik (BiCMOS)

Von diesen acht sind nur die letzten fünf tatsächlich noch im Einsatz und das sehr schnelle ECL kommt wegen seines exorbitanten Preises nur in ganz besonderen Fällen zum Einsatz. Die NMOS- und PMOS-Logik wird nur in sehr komplexen Chips wie Mikroprozessoren (VLSI-Logik).

In diesem Artikel werden die einfachen "Baustein"-ICs mit ihren separaten Logikgattern beschrieben. Diese ICs sind für den Rest der Logikfamilien verantwortlich. Diese ICs basieren alle auf TTL-, CMOS- oder BiCMOS-Familien.

Familien

TTL

Die älteste noch verwendete Logikfamilie ist die Transistor-Transistor-Logikfamilie, die aus Bipolartransistoren.

Hier ist eine Liste der TTL-Logik, wieder nach Alter geordnet, mit der ältesten Form zuerst:

Diese Logikfamilie verwendet normalerweise die folgende Namenskonvention:

  1. Zuerst ein aus zwei oder drei Buchstaben bestehendes Präfix, das den IC-Hersteller identifiziert,
  2. Dem Präfix folgt ein zweistelliges Präfix. Das könnte '74' oder '54' sein. Dieses letzte Präfix weist darauf hin, dass es sich um einen IC handelt, der militärischen Spezifikationen entspricht.
  3. Dann folgen null, zwei oder drei Buchstaben, die die genaue Form von TTL angeben, die innerhalb der TTL-Familie verwendet wird. Das Suffix „IF“ steht beispielsweise für „Advanced Low power Schottky“.
  4. Schließlich folgen zwei oder drei Zahlen, die genau angeben, welche logische Funktion der IC hat. Es gibt Hunderte solcher Logikfunktionen, aber wenn diese Nummer gleich ist, kann man mehr oder weniger sicher sein, dass die Funktionsbelegung jedes der Pins eines solchen ICs die gleiche ist wie die eines anderen TTL-ICs mit derselben Funktionsnummer, unabhängig davon der genauen Form der TTL-Logik oder des Herstellers.

Ein Beispiel: Nimm einen IC mit dem Aufdruck SN74 AS 245. Daraus können wir folgendes ableiten:

Dies ist ein IC von Texas Instruments, es ist ein nicht-militärischer, aber konventioneller IC, der mit Low-Power-Schottky-Technologie gebaut wurde, und schließlich ist es ein "bidirektionaler Acht-Bit-Datenbuspuffer".

Die gewöhnliche TTL war also die erste Form dieser Logik, aber im Vergleich zur zeitgenössischen Logik hatte sie einige Probleme. Es verbrannte beispielsweise viel Energie in Form von Wärme, und die Schaltgeschwindigkeit war im Vergleich zu moderneren Logikformen ausgesprochen niedrig.

LS TTL

Der deutsche Physiker Walter H. Schottky formulierte eine Theorie zur Beschreibung des physikalischen Effekts, der heute als „Schottky-Effekt“ bekannt ist. Diese Theorie führte zur Erfindung der Schottky-Diode und später zu der der Schottky-Transistor. Schottky-Transistoren haben eine viel höhere Schaltgeschwindigkeit als herkömmliche Transistoren, und daher können mit ihnen gebaute Logikgatter eine viel höhere Schaltgeschwindigkeit bewältigen.

Das einzige Problem war, dass mit Schottky ausgestattete Logikgatter (Logik vom Typ 'S') sehr energieverbrauchend waren; noch mehr als herkömmliche Transistoren. Dieser Nachteil wurde später durch die Erfindung von etwas abgemildert Schottky mit geringer Leistung (Logik vom Typ "LS"), die viel weniger Leistung erfordert als Logik vom Typ "S", aber immer noch mehr als normale TTL-Logik. Die LS-Logik war jedoch einen Bruchteil langsamer als die 'S'-Logik. Aber schließlich mit der Einführung von introductie Fortschrittlicher Schottky mit geringem Stromverbrauch Logik ('IF'-Typ-Logik) wurden diese Probleme weitgehend gelöst. Eine andere Familie namens Schnelles TTL (Logik vom Typ 'F') wurde ebenfalls eingeführt und war sogar etwas schneller als die IF-Logik, hatte aber nur begrenzten Erfolg.

CMOS

Die LS-TTL-Familie verbraucht sehr viel Energie und benötigt eine Versorgungsspannung von 5 ± 0,5 V. Als Reaktion auf diese Einschränkungen wurde eine andere Art von Logik entwickelt, die diese Strom- und Wärmeprobleme nicht aufwies. Diese Technologie verwendet keine Bipolartransistoren, aber Feldeffekttransistoren (FETs), paarweise immer ein oder mehrere NMOS-FETs ergänzt durch einen oder mehrere PMOS-FETs. Deshalb diese Technologie Komplementäre Metalloxid-Halbleiterlogik (CMOS) getauft. Da immer nur einer der beiden FET-Typen leitend war (und die PMOS- und NMOS-FETs immer in Reihe zwischen der Versorgungsspannung und dem 0-Volt-Pegel, Masse) lagen, konnte kein Strom zwischen Versorgungsspannung und Masse fließen. im Gegensatz zu TTL, wo immer ein kleiner Ruhestrom fließt. Außerdem verbrauchten die (FET)-Eingänge dieser Logikform keinen Strom, während dies bei der TTL-Logik notwendig war. Daher verbraucht CMOS in der Praxis nur sehr wenig Strom (um interne parasitäresit Kondensatoren Laden und Entladen), wenn ein Gatter benötigt wird, um den Logikpegel zu ändern.

Die erste Form der CMOS-Logik wurde mit den Buchstaben 'CD' gefolgt von vier (oder mehr) Zahlen vorangestellt. Diese Form der Logik wurde unter der Abkürzung CD4K-Logik (auch bekannt als 4000er Logik) bekannt.

Das Design der CD4K-Logik wurde im Design vollständig inkompatibel mit der TTL-Logik gemacht.

Ein Beispiel zur Verdeutlichung. Einer der am häufigsten verwendeten TTL-Chips war der 74LS00 (den Designern war im Vorfeld klar, dass diese Version populär werden würde, da er auch der erste IC der Serie ist). Dieser IC enthält vier sogenannte NAND-Gatter. Nun könnte man erwarten, dass ein ähnlicher IC aus der CMOS-Serie die Bezeichnung CD4000 trägt und man diesen IC anstelle eines SN7400 verwenden könnte, aber das war nicht der Fall. Ein IC mit vier NAND-Gattern existierte auch in der CMOS-Familie, aber er wurde als CD4011 bezeichnet und noch schlimmer, er hatte alle Ein- und Ausgänge der vier Gatter an anderen Pins des ICs.

Es gab nicht einmal eine Beziehung zwischen dem Nummerierungsschema des CMOS und der TTL-Familie. Dies machte es völlig unmöglich, CMOS als 'Drop-in'-Ersatz für TTL zu verwenden, so dass für TTL ausgelegte Leiterplatten komplett neu entworfen werden mussten, wenn man auf CMOS umsteigen wollte.

Absenken der Versorgungsspannung

Ein weiterer wichtiger Vorteil von CMOS gegenüber TTL bestand darin, dass es mit einem viel größeren Bereich seiner Versorgungsspannung arbeiten konnte. Während also TTL notwendigerweise eine Versorgungsspannung von 5 ± 0,5 V benötigt, könnte CMOS mit einer viel höheren oder niedrigeren Versorgungsspannung arbeiten, die sogar variieren durfte. Damit hat es geklappt Batterien viel leichter. Auch die N-MOS- und P-MOS-Betriebs-VLSI-Logik, wie sie beispielsweise von Speicherchips und Mikroprozessoren verwendet wird, teilten diesen Vorteil.

Da die Verlustleistung von CMOS (und damit auch von N-MOS/P-MOS) direkt von der Anzahl der Schaltungen pro Sekunde (also der Taktrate eines Mikroprozessors) abhängt und der Markt immer schnellere Mikroprozessoren forderte, wurde es mit niedrigeren Versorgungsspannungen zu arbeiten (hauptsächlich weil der Energieverbrauch mit dem Quadrat der Versorgungsspannung ansteigt, oder umgekehrt eine Halbierung der Versorgungsspannung zu einer Verringerung des Energieverbrauchs auf ein Viertel des ursprünglichen Verbrauchs führt).

Durch die Reduzierung der Versorgungsspannung von 5 Volt auf nur noch 3,3 Volt konnte der kontinuierlich steigende Energieverbrauch um 60 Prozent gesenkt werden. Neuere CPUs senken die Spannung für ihre interne Logik noch weiter, oft auf 1,8 Volt.

HC-Logik

Die Inkompatibilität der CD4000-Serie führte zu einer starken Nachfrage nach einer Logikfamilie, die mit der von TTL kompatibel war. Aus diesem Grund wurde die 74HC-Serie geboren, die die Nummerierung und Pinbelegung der TTL-Familie mit den Vorteilen von CMOS kombiniert. Es konnte direkt in einem TTL-basierten Design mit 5 Volt betrieben werden, war aber auch mit Logik kompatibel, die mit 3,3 Volt betrieben wurde.

Das Logikebenenproblem Level

Mit der 74HC-Serie können CMOS-basierte ICs mit TTL-basierten ICs kombiniert werden.

Die Kombination dieser beiden Typen ist nicht unproblematisch: CMOS-ICs erkennen von Natur aus unterschiedliche elektrische Spannungen als '0' und '1' als TTL-ICs.

TTL benötigt eine Spannung von weniger als ca. 0,8 Volt, um ein logisch niedriges Signal (eine '0') zuverlässig zu erkennen. Um ein logisch hohes Signal (eine '1') zuverlässig zu erkennen, benötigt TTL mehr als 2,0 Volt. Also alles zwischen 0,8 Volt und 2,0 Volt ist bei TTL "verboten".

CMOS kann mit etwa der halben Versorgungsspannung als Grenze arbeiten, beispielsweise 2,5 Volt als Grenze bei einer Versorgungsspannung von 5 Volt. In der Praxis erkennt CMOS alles unter 1,5 Volt als "0" (logisch niedrig) und alles über 3,5 Volt als "1" (logisch hoch).

Ein gewöhnlicher TTL-IC legt oft nicht mehr als 2,4 Volt an einen Ausgang (für eine '1'). Dies kann ein Problem sein: Wenn versucht wird, eine 5-Volt-CMOS-Logik über einen TTL-Ausgang zu treiben, kann die Ausgangsspannung des TTL-ICs möglicherweise keine ausreichende Spannung erreichen, sodass die angesteuerte CMOS-Logik dies nicht zuverlässig "sehen" kann als logisches Hoch ('1'). Die Kommunikation geht also schief.

Dieses Problem wurde mit der Entwicklung der 74HCT-Logikfamilie gelöst. Obwohl in CMOS implementiert, verwendet die 74HT-Familie immer noch TTL-Signalpegel für ihre Eingänge. Diese ICs sind für den Betrieb mit einer 5-Volt-Versorgung ausgelegt. Die 74HT-Familie ist ein perfekter Ersatz für die TTL-Logik, obwohl sie etwas langsamer sind (sogar langsamer als die ursprüngliche TTL). Die HC-Logik hingegen hat eine Geschwindigkeit, die mit der von TTL vergleichbar ist.

Verbesserte Versionen

Da die HC- und HCT-Logik mit der LS-TTL-Logik konkurrieren, wurde klar, dass weitere Verbesserungen erforderlich waren, um eine "ideale" Logikform zu erreichen, die die hohe Geschwindigkeit von LS-TTL mit dem geringen Stromverbrauch von CMOS kombiniert, und ist kompatibel mit älteren Logikfamilien und mit 3,3-Volt-Logik. An diesem „Wettbewerb“ traten eine ganze Reihe von Teilnehmern unterschiedlicher Hersteller mit jeweils eigener Technologie auf den Markt.

Hier ist eine kurze Liste der wichtigsten neueren Logikfamilien:

  • LV-Logik (Niederspannungslogik) Mit reduzierter Versorgungsspannung.
  • LVT-Logik (niedrigere Spannung mit TTL-Logikpegeln) Wie LV, aber kompatibel mit TTL.
  • ALVT-Logik ('erweiterte' LVT-Logik) Eine weitere "verbesserte" Form der LV-Logik.

Aber es gibt unter anderem viele andere logische Familien AC/ACT-Logik, AHC/AHCT-Logik, ALVC-Logik, AUC-Logik, AVC-Logik, CBT-Logik, CBTLV-Logik, FCT-Logik und LVC-Logik.

BiCMOS

Eine der bedeutendsten Neuerungen bei Logik-ICs war die Kombination von CMOS-Eingängen mit TTL-Ausgängen. Diese Kombination führte zu einer neuen Form der Logik, die BiCMOS-Logik, und von denen die Logikfamilien LVT und ALVT die wichtigsten sind. Aber auch die BiCMOS-Familie hat viele Mitglieder, die aktuelle Liste umfasst ABT-Logik, ALB-Logik, ALVT-Logik, BCT-Logik und LVT-Logik.