Logikgatter

TTL & CMOS

Die Anfang der 1960er Jahre entwickelten TTL- und CMOS-Logikgatter waren recht verbreitet in den ersten Digitalschaltungen. Transistoren arbeiteten jetzt im Schalterbetrieb und waren entweder gesperrt oder voll durchgesteuert. Da Transistoren keine idealen Schalter sind, liegen die Pegel für 0 und 1 nicht ganz auf Nullpotential oder der Versorgungsspannung. Deshalb bezeichnet man die Pegel eher mit L (Low) oder H (High). Bei TTL & CMOS entspricht der Low-Pegel der binären 0 und High bedeutet 1. Die Pegel mussten sich innerhalb bestimmter Grenzen bewegen. TTL-Schaltkreise arbeiteten mit 5V Betriebsspannung. Am Eingang sollten Spannungen zwischen 0,8V und 2V vermieden werden, damit die Pegel richtig erkannt werden und die Transistoren sicher schalten. Die Ausgangsspannung sollte unter 0,4V oder über 2,4V liegen.

TTL Pegel

Bei den CMOS-Gattern hängen die Pegel von der Betriebsspannung ab, die sich zwischen 3V und 15V bewegen kann. Die Abbildung unten zeigt die Werte für eine Betriebsspannung von 5V. Wie man sieht, weichen die Pegel hier von den TTL-Pegeln ab. Bei der Zusammenschaltung beider Schaltkreisfamilien müssen die Pegel angepasst werden.

CMOS Pegel

Logische Verknüpfungen

Ein Logikgatter ändert den Ausgangspegel entsprechend der Pegel an den Eingängen. Was passiert, kann man sich anhand einer Tabelle veranschaulichen, in der man alle Eingangskombinationen auflistet.


Man kann den Zusammenhang auch als Formel schreiben. Dabei gibt es für die Logikoperatoren unterschiedliche Schreibweisen. Nehmen wir uns jetzt die Logikgatter-Typen einzeln vor. Da wäre als Erstes die

UND-Verknüpfung (AND)

Am Ausgang erscheint eine logische 1, also High-Potential, nur wenn alle Eingänge auf High liegen, also Eingang A UND Eingang B. Liegt auch nur ein Eingang auf Low, dann bleibt auch der Ausgang Y auf Low.

UND-Gatter

Man kann sich das auch vorstellen, wie einen Stromkreis mit in Reihe gelegten Schaltern. Die Lampe leuchtet nur, wenn alle Schalter gleichzeitig geschlossen sind.

ODER-Verknüpfung (OR)

Beim Oder-Gatter genügt es, wenn ein Eingang auf High Potential liegt, also A ODER B, um den Ausgang einzuschalten. Nur wenn alle Eingänge auf Low liegen, ist auch der Ausgang Low.

ODER-Gatter

Das entspricht jetzt einem Stromkreis mit mehreren parallelen Schaltern. Um die Lampe einzuschalten, reicht nur ein Schalter aus.

Exklusiv-ODER-Verknüpfung (XOR)

Eine Variante des Oder-Gatters ist das Exklusiv-Oder. Es schaltet den Ausgang wieder auf Low, wenn alle Eingänge auf High gehen.

Exklusiv-ODER-Gatter

Nur unterschiedliche Pegel an den Eingängen führen zu einem High am Ausgang.

Nicht-Verknüpfung (NOT)

Das einfachste Gatter ist der Inverter oder Negator. Es besitzt nur einen Eingang und kehrt den Pegel einfach um, also aus Low wird High und aus High wird Low.

NOT-Gatter

Man sagt Y ist gleich Nicht-A oder auch Y ist gleich A-quer. Ein negierter Pegel am Ausgang wird im Schaltbild als ein kleiner Kreis oder Punkt am Ausgang angezeigt. In der Logikformel bekommt die negierte Größe einen Überstrich.

NAND, NOR, XNOR

Oft werden Logikgatter mit einem Inverter am Ausgang kombiniert. Es gibt also ein Nicht-Und (NAND), Nicht-Oder (NOR) bzw. Nicht-Exklusiv-Oder (XNOR). Nach der logischen Verknüpfung wird der Ausgangspegel negiert.

NAND, NOR, XNOR

Schmitt-Trigger Eingang

Eine Sonderform der Gatter besitzt Eingänge mit Schwellwertschalter. Sie sind praktisch das Bindeglied zur analogen Welt. An den Eingängen müssen die oben angegebenen Pegel nicht eingehalten werden. Die Gatter schalten, wenn ein bestimmter Schwellwert am Eingang über- oder unterschritten wird.

Schmitt-Trigger

Ungenutzte Eingänge

Eingänge von Logikgattern sollten niemals offen bleiben, sondern immer beschaltet werden. Nur so vermeidet man wildes Schalten durch undefinierte Pegel oder Störimpulse. Ob der Eingang an Masse (Low) oder Betriebsspannung (High) gelegt wird, hängt von der Art des Gatters ab.
Bei einem UND-Gatter gehören ungenutzte Eingänge an High-Potential, denn eine Masseverbindung würde das Gatter blockieren, da die Und-Bedingung nie erfüllt werden kann. Beim ODER ist es umgekehrt. Hier würde ein High-Pegel dazu führen, dass die Oder-Bedingung immer erfüllt ist. Alternativ kann man aber auch Eingänge einfach zusammenschalten, um ihre Anzahl zu verringern.

offene Eingänge



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