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Digitale Logik mit einem NAND 4093

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Digitale Logik mit einem NAND 4093

Das CMOS-Logik-IC 4093
Die Schaltung
Die Bauteile

Das Logik-IC 4093
Die IC-Fassung
Der DIP-Schalter
Die Widerstände 100k
Der Widerstand 1k
Die LED
Bauteilliste

Aufbau der Schaltung
Wie es funktioniert

Das CMOS-Logik-IC 4093

Das CMOS-Logik-IC 4093 besteht aus

zwei Betriebsspannungsanschlüssen, VDD (+3 bis +18 V) und VSS (0 V),
vier UND-Gattern mit je zwei Eingängen (A und B) und einem invertierten Ausgang (Y),

All dies ist in einem 14-poligen Gehäuse aus Plastik untergebracht. Die Anschlüsse sind folgendermaßen angeordnet:

4093-Anschlüsse

Das Bild zeigt die Anschlüsse, wenn man von oben auf die Plastikpackung blickt und die Anschlusspins nach unten zeigen, so wie im kleinen Bild zu sehen ist.

Als "Gatter" oder englisch "Gate" bezeichnet man die vier Innereien deswegen, weil sie wie ein offenes oder geschlossenes Tor wirken: unter bestimmten Bedingungen geht das Tor auf, sonst bleibt es zu.

Ich habe mich beim Zeichnen hier für die amerikanische Variante entschieden, weil sie mir besser gefällt. Natürlich gibt es für das Zeichnen auch eine Norm, aber hier halte ich mich mal nicht dran.

Die Logikeingänge A und B können entweder mit der negativen Betriebsspannung (VSS) oder mit der positiven Betriebsspannung (VDD) verbunden sein. Die beiden Zustände bezeichnet man wahlweise als "0 und 1", "Low und High" (deutsch: Niedrig und Hoch) oder abgekürzt als "L und H". Welche der Bezeichnungen man dafür wählt, ist persönlicher Geschmack, viele benutzen diese Bezeichnungen munter durcheinander.

Im Gegensatz zur Analogelektronik kommt es in der Digitalelektronik nicht auf die "Zwischentöne" an, also welche genaue Spannung nun an den Eingängen anliegt. Der Zustand ist entweder High oder Low, zwischen beiden Zuständen darf es in der Digitalelektronik keinen anderen Zustand geben. Das würde die ganze Funktion durcheinander bringen. Wo genau die Spannungsschwelle zwischen 0 und 1 liegt, messen wir in einem weiteren Experiment, sobald wir uns mit der Logikverknüpfung besser auskennen.

Die vier Logikschaltungen im 4093 verknüpfen die Zustände an den beiden Eingängen A und B miteinander. Und zwar so, dass der Ausgang (Y, die gerundete Form des Rechtecks vor dem kleinen Kreis) nur dann auch High wird, wenn beide Eingänge ebenfalls High sind. Ist einer der beiden Low (also auf niedriger Spannung), dann ist auch dieser Ausgang Low.

Der kleine Kreis an der Rundung sagt dem Digitalelektroniker, dass das Ergebnis der Verknüpfung umgekehrt wird, dass also aus einer 0 eine 1 und aus einer 1 eine 0 gemacht wird. Das bezeichnet man wahlweise als "invertieren", Polaritätsumkehr, negieren oder auch als NICHT. Am Ausgang Y liegt also nicht das Ergebnis der UND-Verknüpfung sondern dessen genaues Gegenteil. Nur dieses umgekehrte Ergebnis ist an einen äußeren Pin herausgeführt.

Auch der Ausgang Y kennt nur High und Low und keine Zwischentöne. Wenn wir die Spannung bei eingeschalteter Betriebsspannung am Ausgang messen, messen wir entweder eine Spannung nahe 0 V oder nahe der Betriebsspannung. Wenn wir den Ausgang mit einem Kurzschluss an 0 V oder an die Betriebsspannung anschließen, fließt ein recht kleiner Strom von einigen mA aus oder in den Ausgangspin und die Spannung bricht zusammen. Wir kriegen so ein Logik-IC nur kaputt, wenn wir die Betriebsspannung verkehrt herum anschließen oder die Pins mit Spannungen außerhalb des zulässigen Betriebsspannungsbereichs malträtieren.

Weil die beiden Eingänge so verknüpft werden, dass sie beide 1 sein müssen, bezeichnet man die Schaltung als UND-Gatter (englisch: AND). Weil das Ergebnis auch noch invertiert wird (NICHT, englisch NOT), heißt das Ganze NICHT-UND oder englisch NOT-AND oder ganz kurz NAND. Die komischen Zeichen in den Gattern können wir erst mal ignorieren. Der fast baugleiche Baustein nur mit NAND-Gattern und ohne diese eigenartigen Zeichen heißt (statt 4093) 4011. Es gibt auch UND-Gatter ohne Invertierung, der hieße dann 4081. Statt der UND-Verknüpfung gibt es auch solche mit ODER-Verknüpfung, die heißen dann 4071 (OR) oder 4001 (NOR). Die sind aber alle viel langweiliger, weil man mit ihnen weniger anfangen kann und wir experimentieren daher lieber mit dem 4093.

Es gibt noch viele weitere Familien von Logikbausteinen. Im Gegensatz zu den CMOS-Bausteinen sind diese zwar schneller, sind aber alle nicht mit einer 9V-Batterie betreibbar und brauchen durchweg viel mehr Strom. Deren Vorteile brauchen wir beim Experimentieren nicht und der niedrige Stromverbrauch der CMOS-Reihe kommt uns sehr entgegen.

Im ersten Experiment lernen wir erst mal die Logikeigenschaften des 4093 kennen.

Die Schaltung

Dazu bauen wir die nachstehend abgebildete Schaltung auf.

NAND-Logik

Sie besteht aus:

dem Logik-IC 4093,
zwei Schaltern und zwei Widerständen von 100k,
einer Leuchtdiode mit einem Vorwiderstand von 1k,
der Batterie mit 9 V.

Bei offenen Schaltern liegen die beiden Eingänge 4A und 4B über die 100k-Widerstände auf der negativen Betriebsspannung oder auf logisch Null. Mit den beiden Schaltern lassen sich die beiden Eingänge auf logisches High-Potenzial bringen.

Der Ausgang 4Y des Logik-IC treibt über einen 1k-Widerstand die LED an. Ist der Ausgang High, fließt Strom durch die LED. Ist der Ausgang Low, dann ist die LED aus.

Die 9V-Batterie versorgt alles mit der Betriebsspannung.

Die Bauteile

Das Logik-IC 4093

Das Logik-IC kennen wir schon von oben.

Bild 4093

Die Nase auf der linken Schmalseite zeigt die Reihenfolge an. Die Nummerierung der Pins beginnt an dieser Einbuchtung in umgekehrter Uhrzeigerrichtung.

Die IC-Fassung

Wie bei allen Integrierten Schaltungen verwenden wir auch hier eine Fassung. Die ist in diesem Fall 14-polig.

Fassung

Das IC ist so in die Fassung einzusetzen, dass die beiden Einbuchtungen an IC und Fassung auf der gleichen Seite liegen. Zum Einsetzen des IC sind dessen Beine wieder ein klein wenig nach innen zu biegen, indem man die Reihe auf einer ebenen Fläche aufsetzt und alle gleichmäßig und vorsichtig ein wenig nach innen drückt.

Der DIP-Schalter

Diese Art von Schalter sind in der Digitalelektronik sehr beliebt. Sie heißen auch "Mäuseklaviere".

DIP-Schalter

Die vier Schalter in einem Gehäuse sind eingeschaltet, wenn die kleinen Plastikschieber auf der ON-Seite stehen. Ist S1 an, dann ist der Pin 1 mit dem Pin 8 verbunden (Zählung der Pins wie bei einem IC).

Die Widerstände 100k

Die beiden Widerstände mit 100k sehen so aus:

R 100k

Die Ringe lauten braun (1), schwarz (0), schwarz (0), orange (3 Nullen).

Der Widerstand 1k

Der Widerstand mit 1k sieht so aus:

R 1k

Die Ringe lauten braun (1), schwarz (0), schwarz (0), braun (eine Null).

Die LED

Die LED sieht so aus:

LED

Die Anode oder Plusseite der LED ist an dem längeren Abschluss erkennbar.

Bauteilliste

Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der Bauteilliste für den Versandhandel Reichelt aufgelistet.

Aufbau der Schaltung

Der Aufbau erfolgt so:

NAND

Am Besten beginnen wir beim Aufbau mit dem IC und dessen zwei Versorgungsleitungen an die Versorgungsschienen.

Dann montieren wir den DIP-Schalter, die beiden 100k-Widerstände und die Leitungen zur Versorgungsschiene. Bleibt der DIP-Schalter nicht fest in den Löchern des Experimentierboards sitzen, dann setzen wir ihn in eine achtpolige IC-Fassung, die wir noch vom Elektronikkurs haben.

Beim Einsetzen der LED müssen wir auf die richtige Polung achten, sonst leuchtet die LED beim falschen logischen Zustand.

Zum Schluss verbinden wir die beiden Minusversorgungsschienen und stecken das Batterieanschlusskabel. Dann setzen wir die Batterie in den Batterieclip.

Wie es funktioniert

Wie ein CMOS-Ausgangstreiber funktioniert

In unserer Schaltung ist die LED am Ausgang des ICs über einen Widerstand an den Minuspol der Batterie angeschlossen. Das etwas eigenartige, aber auch schöne an solchen CMOS-Schaltungen ist, dass sie auch funktionieren würde, wenn wir die LED an den Pluspol der Batterie anschließen würden, nur halt verkehrt herum (immer mit der Anode nach Plus).

CMOS-Ausgangstreiber

Die CMOS-Ausgänge (die Innereien des CMOS-ICs mit gelbem Hintergrund) haben nämlich zwei Transistoren: ist der Ausgang High, dann leitet der obere der beiden und der untere sperrt. Ist der Ausgang Low, dann leitet der untere der beiden und der obere sperrt.

Ist nur die untere der beiden hier eingezeichneten LEDs angeschlossen, wie in unserer ersten Schaltung, dann drückt der obere Transistor Strom in den Ausgangspin Y, der die LED zum Leuchten bringt (abgemildert durch den unteren Widerstand, grüner Richtungspfeil). Drücken heißt auf englisch "push". Das macht er aber nur dann, wenn der Ausgang High ist. Weil der Ausgang bei High dann in der Nähe der Plus-Spannung an Anschluss VDD liegt, würde die obere LED, so wir sie wie abgebildet angeschlossen hätten, auch gar nicht leuchten, denn deren Anode liegt ja auch an der Plus-Spannung, und zwischen Plus und Plus fließt halt auch kein Strom.

Was passiert, wenn der Ausgang Y nun low wird? Dann ist der untere Transistor leitend und der obere wird still. Unsere an Minus angeschlossene LED kriegt jetzt keinen Strom mehr gepusht, sie ist aus. Dafär leuchtet jetzt die obere LED, weil der untere Transistor den Strom durch die LED nach Minus (VSS) durchleitet. Der Strom fließt jetzt auf dem blauen Pfad, der Ausgang zieht nach Null Volt und Ziehen heißt in englisch "pull".

Die Frage für Schlaumeier: Was passiert, wenn man den CMOS-Ausgang mal weglässt? Dann gehen beide LED an, haben aber nur den halben Strom und leuchten ein wenig schwächer. Das wäre dann ein dritter Zustand neben High und Low: Ausgang aus, beide Transistoren taub. Diese Sorte dritter Ausgang gibt es in der Digitalwelt auch, er wird Tri-State oder dritter Zustand genannt. Da muss man den Ausgang definitiv erst mit einem weiteren Eingangspin einschalten. Meistens heißt der Pin dann "Output Enable" oder OE, manchmal ist der auch invertiert, dann heißt er OE mit einem Strich drüber oder /OE. Mit diesem Trick kann man mehrere Ausgangspins auf eine gemeinsame Leitung schalten, man muss nur dafür sorgen, dass immer nur einer der miteinander verbundenen Ausgänge OE hat und alle anderen ausgeschaltet sind. Das nennt man dann "Multiplexen".

Zur Verwirrung des Publikums noch ein Hinweis: die Elektronen in den Pins, Anschschlussdrähten, usw., fließen genau umgekehrt: immer von Minus nach Plus, in der Zeichnung also von unten nach oben und nicht von oben nach unten. Es gibt also immer zwei Richtungen: die nach Alessandro Volta (einem italienischen Physiker, der Ende des 18. Jahrhunderts den Strom entdeckt hat, als er wie sein Entdeckerkollege Galvani mit Froschschenkeln und später mit Plattenbatterien experimentiert hat), die Elektriker auch heute noch verwenden, und auf der anderen Seite die Bewegung der Elektronen, die genau gegensätzlich ist, weil Elektronen negativ geladen sind. Man kann sich deshalb schön in die Haare kriegen, wenn der eine den Volta-Strom meint, der andere aber die erst spät nach Volta entdeckten Elektronen.

Wie eine Wahrheitstabelle funktioniert

Durch Schieben der Schalter S1 und S2 können wir nun herausfinden, bei welcher Kombination von Schaltstellungen die LED leuchtet oder nicht. Die Kombinationen tragen wir in einer sogenannten Wahrheitstabelle ein. Die kann so aussehen:

Schalter 1			Schalter 2			LED	Logisch
An/Aus	Spannung A	Logisch	An/Aus	Spannung B	Logisch	LED	Logisch
Aus	0 Volt	L	Aus	0 Volt	L	An	H
An	9 Volt	H	Aus	0 Volt	L	An	H
Aus	0 Volt	L	An	9 Volt	H	An	H
An	9 Volt	H	An	9 Volt	H	Aus	L

Die LED ist also nur dann ausgeschaltet, wenn beide Eingänge auf hoher Spannung (L) sind. In allen anderen drei Fällen ist der Ausgang des NAND High.

In der Kurzfassung der Tabelle schreibt man die Wahrheitstabelle des NAND-Gatters so:

Input A	Input B	Output Y
L	L	H
H	L	H
L	H	H
H	H	L

Solche Wahrheitstabellen helfen bei komplizierteren Kombinationen, den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgängen schnell zu ermitteln.

Andere logische Verknüpfungen

Die Wahrheitstabellen bei weiteren logischen Grundschaltungen lauten so:

Logik	Typ	Funktion	A	B	Y
AND	4081	Ausgang H, wenn beide Eingänge H	L	L	L
			H	L	L
			L	H	L
			H	H	H
NAND	4011	Ausgang L, wenn beide Eingänge H	L	L	H
			H	L	H
			L	H	H
			H	H	L
OR	4071	Ausgang H, wenn einer der beiden oder beide Eingänge H	L	L	L
			H	L	H
			L	H	H
			H	H	H
NOR	4001	Ausgang L, wenn einer der beiden oder beide Eingänge H	L	L	H
			H	L	L
			L	H	L
			H	H	L
EX-OR	4070	Ausgang H, wenn einer der beiden, aber nicht beide Eingänge H	L	L	L
			H	L	H
			L	H	H
			H	H	L
EX-NOR	4077	Ausgang L, wenn einer der beiden, aber nicht beide Eingänge H	L	L	H
			H	L	L
			L	H	L
			H	H	H
NOT	4069	Ausgang H, wenn Eingang L	L		H
NOT	4069	Ausgang H, wenn Eingang L	H		L

* Bilder aus http://de.wikipedia.org/wiki/Logikgatter

Mit diesem Instrumentarium können wir jede beliebige Kombination an logischen Zusammenhängen zusammenbauen. Ein solches Experiment folgt im zweiten Teil.