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Digitalelektronik-Familien



In diesem Kurs werden nur IC's der Familie CMOS behandelt. Das hat seinen Grund darin, weil CMOS den geringsten Strombedarf haben und sich deshalb prima für Batteriebetrieb eignen. Die Nachteile dieser Sparsamkeit werden wir weiter unten noch kennenlernen.

Gebräuchliche und weniger gebräuchliche Digital-IC-Familien

Allen Familien ist gemeinsam, dass sie zwei und mehr NPN-, PNP- oder CMOS-Transistoren zusammen mit etlichen Widerständen in fertig verdrahteter Form enthalten. Nur die Ein- und Ausgänge dieser fertig verdrahtenen Schaltungen sind an Metallpins aus der Keramik- oder Plastikverpackung herausgeführt und können extern an andere elektronische Komponenten angeschlossen werden.

Es gibt ganz, ganz viele Digital-IC-Familien. Die n's stehen für Ziffern, aus denen zwei oder dreistellige Zahlen werden. Die zwei- und dreistelligen Zahlen geben alle die gleiche Funktion an (bis auf die vierstelligen Zahlen der 74HCT40- und 74HCT45-Familien). Die wichtigsten Familien sind:

Betriebsspannung, Strombedarf, Eingangsstrom, Geschwindigkeit

Das Folgende wird am Beispiel des 74x00, einem Vierer-Paket NANDs (Nicht-Und) mit je zwei Eingängen demonstriert. Die CMOS-Variante mit gleicher logischer Funktion heißt 4011. Bei den TTL-Familien muss man noch wissen, dass die Eingangspins intern auf der Betriebsspannung liegen (also logisch 1 sind) und deswegen mit einem Eingangsstrom auf Null gezogen werden müssen. Der dazu nötige Eingangsstrom ist ebenfalls angegeben. Das hier sind die Betriebsspannungsbereiche, der Strombedarf bei der maximal empfohlenen Betriebsspannung, der Eingangsstrom und die zeitliche Verzögerung zwischen dem Wechsel des Pegels am Eingangspin und der Reaktion des Ausgangspins (tPD bedeutet propagation delay time).
IC-BezeichnungBetriebsspannungRuhestrombereich mAEingangsstromtPD
von Voltbis Voltmin.typ.max.max. mAtyp. ns
74004,755,25185517 - 11
74S004010013 - 5
74LS00201000,19 - 10
74C003150,000010,0150,00000530 - 50
74HC00260,0020,020,040,0018 - 45
74HCT004,55,5-0,022,925
40113150,000010,0010,000145 - 125
Die Tabelle zeigt, dass 7400 von Siemens? 74LS00

In Kürze kann man das so zusammenfassen:

Unterschiede bei den Digital-Experimenten

74LS132 Das IC hier ist die TTL-LS-Variante unseres 4093-NAND-Schmitt-Triggers. Allerdings braucht das IC an den Eingängen bis zu 1 mA Strom, um diese auf Low zu ziehen.

74HC132 Das IC hier ist die HC-Variante unseres 4093-NAND-Schmitt-Triggers, der 74HC132. Er braucht an den Eingängen keinen Strom.

74HCT132 Das hier ist die HCT-TTL-Variante. Sie ist etwas schneller als die HC-Variante. Kann aber nur 5 Volt!

TTL- und CMOS-Pinout Aber Obacht! Alle 54/74-Versionen außer die 74HCT40nn/74HCT45nn haben eine andere Pinbelegung als die in diesem Kurs angegebenen CMOS-ICs (linkes Bild). Links oben ein 7400, links unten ein 4011, beides das Vierer-NAND ohne Hysterese. Vor dem Nachbau also immer das frische Datenblatt aus dem Internet holen und die Pinbelegung penibelst vergleichen.

Und immer den zulässigen Betriebsspannungsbereich einhalten. TTL-ICs, einschließlich 74HCnn[n] und 74HCTnn[n], gehen sofort kaputt, wenn man sie an die 9V-Batterie anschließt!

Alle Experimente vertrauen darauf, dass Eingangspins kaum Strom brauchen. Wer die Experimente also mit 74nn/74LSnn/74Snn machen will, muss daher sicherstellen, dass Eingänge auch tatsächlich auf Null gehen, wenn sie das sollen. Bei 74nn/74Snn-Gattern kann es nötig sein, den Eingang mit einem 470Ω-Widerstand, bei 74LSnn-Gattern mit 2,2kΩ auf Null zu ziehen. Offene Eingänge sind bei 74nn, 74Snn und 74LSnn immer High, wenn außen nichts angeschlossen ist.

TTL- und CMOS-Ausgange Hier wurde schon auf die Eigenschaften der Ausgangstreiber von CMOS-ICs hingewiesen. Die von TTL-Gattern sind hier etwas näher beschrieben.

Die Ausgänge von TTl_Gattern können besser Strom nach Minus ziehen, aber schlechter Strom liefern. Das liegt an dem Widerstand, der gegen Plus geschaltet ist, und an der Diode, die zum Ausgang hin eine Durchlassspannung abzieht. Der Emitter des unteren Transistors liegt dagegen direkt am Ausgang und kann daher mehr Strom ziehen.

Bei den CMOS-Ausgängen liegen beide Transistoren direkt am Ausgang, beide können ungefähr gleich viel Strom liefern wie ziehen.

Bei Leuchtdioden sollte man bei TTL immer die Anode an Plus anschließen. Manche IC's der 74nn-, 74Snn- und 74LSnn-Serie haben offene Kollektor-Ausgänge (oC). Denen fehlt der oben eingezeichnete Transistor und der Kollektor des unteren Transistors liegt alleine am Ausgang. Mit denen kann man direkt Relais oder Leuchtdioden mit bis zu 15V treiben, oder sogar Nixie-Röhren mit noch höherer Spannung. Sie liefern aber selbst gar keinen Strom, wenn ihr Ausgang High ist.

Aber nicht nur die Ausgänge unterscheiden sich sehr, auch die Eingänge. Bei TTL liegen die Eingänge auf hohem Potenzial und müssen aktiv auf Low gezogen werden. Dabei fließt Strom aus den Eingängen, so einige mA.

CMOS haben hingegen MOS-Transistoren in der Eingangsstufe, die nicht mit Basisstrom arbeiten, sondern mit dem Feldeffekt: die Gates sind gegen die anderen Anschlüsse mit einer Metalloxid-Schicht (deshalb MOS) isoliert und es reicht aus, mit der Eingangsspannung ein elektrisches Feld am Gate aufzubauen. Diese Gates haben quasi unendlich große Eingangswiderstände, da schon alleine das elektrische Feld zum Schalten ausreicht. Ihr Gate wirkt wie ein klitzekleiner Kondensator, dessen Platten gegeneinander isoliert sind und maximal ein paar Picofarad (pF) haben.

Weil da praktisch gar kein Strom fließt, werden elektrische Aufladungen auch nicht entladen, wenn sie mit Eingängen in Berührung kommen. Hat man gerade seine Katze gestreichelt, kann die statische Aufladung des menschlichen Körpers auf einige HĂșnderte bis einige Tausend Volt erfolgen. In den Anfangsjahren führte das zur Zerstörung der CMOS-Eingänge, weil es innerhalb des Gates zu Hochspannungs-Überschlägen kam, die die Isolation des Gates zerstörten. Heutzutage baut man an die Eingänge deshalb Dioden zur positiven und negativen Versorgungsspannung hin ein. Die leiten Überspannungen ab. Seither kriegt man CMOS-ICs nur noch kaputt, wenn man diese Dioden absichtlich zerschießt. Es ist trotzdem eine gute Idee, sich nach dem Streicheln der Katze an der Heizung oder einem anderen Erdanschluss zu entladen, bevor man sich dem Basteltisch und CMOS-ICs nähert und sie anfasst. Deshalb sind solche ICs in elektrisch leitenden Verpackungen oder in leitenden Moosgummi eingedrückt und daher sind auch Lötkolben geerdet.

Und noch ein dringender Hinweis: Mit drei, vier ICs vom Typ 74nn, 74Snn oder 74LSnn hat man eine Batterie ziemlich schnell leer gemacht, selbst wenn man mit dem IC sonst nix macht und auch keine externen Stromverbraucher angeschlossen hat. Ohne Netzteil oder Versorgung aus der USB-Buchse geht da nicht lange viel.

©2020 by Gerhard Schmidt