Techniklexikon

Logikfamilien

die technische Realisierung der logischen Schaltungen mit integrierten Bausteinen. Die logischen Werte wahr und falsch bzw. 1 und 0 werden in der Digitaltechnik durch sicher von einander unterscheidbare Spannungswerte dargestellt, die als HIGH (H) und LOW (L) bezeichnet werden. Oft werden dafür jedoch auch 1 und 0 gewählt. Den Fall H = 1 und L = 0 nennt man positive Logik, den Fall H = 0 und L = 1 negative Logik. Innerhalb einer Familie sind die Bausteine in derselben Technologie aufgebaut. Eine Familie zeichnet sich dadurch aus, dass die Werte HIGH und LOW und ihre Toleranzen und die Eingangs- und Ausgangswiderstände so festgelegt sind, dass die Bausteine ohne Zusatzschaltungen direkt miteinander verbunden werden können.

Die erste grössere Logikfamilie war die DTL (Dioden-Transistor-Logik), die nicht mehr im Gebrauch ist. Bei ihr war ein NAND-Gatter aus einem UND-Gatter (logische Schaltungen) aus Dioden und einem Bipolar-Transistor als Inverter aufgebaut. Wesentliche Verbesserungen, insbesondere in Bezug auf die Schaltgeschwindigkeit, brachte die in grossem Massstab benutzte TTL (Transistor-Transistor-Logik), die nur Transistoren als Hauptbestandteile enthält. In der weiteren Entwicklung wurde der Sättigungszustand (Schalttransistor) der Transistoren in der STTL (Schottky-TTL) durch den Einbau von Schottky-Dioden vermieden, was zu einer Steigerung der Schaltgeschwindigkeit, aber auch zu einer erhöhten Verlustleistung führte. Diese wurde in der LSTTL (Low-Power-Schottky-TTL) auf ein Fünftel der TTL-Verlustleistung gebracht. Die Betriebsspannung der genannten Logikfamilien beträgt einheitlich 5 V. Eine andere bipolare Logikfamilie ist die ECL (Emitter-Coupled-Logic), die die Sättigung der Schalttransistoren vermeidet und deshalb eine sehr kurze Gatterlaufzeit erreicht, jedoch eine hohe Verlustleistung aufweist. Im Unterschied zu obigen Bausteinen wird eine Betriebsspannung von -5,2 V benötigt. Hochintegrierte Logikschaltungen aus MOS-Feldeffekttransistoren wurden zuerst mit p-Kanal-MOSFETs (PMOS) realisiert, die v.a. in Geräten mit niedrigem Leistungsverbrauch (z.B. Taschenrechner) eingesetzt wurden. Die Umstellung auf n-Kanal-MOSFETs (NMOS) brachte höhere Schaltgeschwindigkeiten. Aus beiden Technologien wurden keine Standardbausteine entwickelt. Erst mit der Kombination eines n-Kanal-MOSFETs mit dem komplementären p-Kanal-MOSFET zur CMOS-Logik (Complementary MOS) gibt es Standard-Logikbausteine. Sie haben gegenüber der bipolaren Technologie den grossen Vorteil einer extrem niedrigen Verlustleistung im Ruhezustand, da in jedem Schaltzustand einer der beiden MOSFETs gesperrt ist. Da beim Umschalten ein kurzer Strom fliesst, steigt die Verlustleistung linear mit der Schaltfrequenz an und erreicht bei einigen MHz die TTL-Verlustleistung. CMOS kann mit höheren Spannungen betrieben werden. Durch spezielle mitintegrierte Interfaceschaltungen sind CMOS-Schaltungen zu TTL-Schaltungen kompatibel gemacht worden, so dass beide Technologien nebeneinander in einer Schaltung benutzt werden können. Die CMOS-Technologie wird wegen ihrer günstigen Eigenschaften in grossem Umfang auch bei den hochintegrierten Digitalschaltungen wie z.B. bei allen modernen Mikroprozessoren eingesetzt. Zur weiteren Reduzierung des Leistungsbedarfes gehen moderne Schaltungen zu niedrigeren Betriebsspannungen über, wobei vielfach 3,3 V als neuer Standard gewählt wird.