Schaltkreisfamilie

Logikfamilie bezeichnet in der Digitaltechnik eine Reihe von Bausteinen (normalerweise als Integrierte Schaltungen), die elementare (wie Logikgatter) und meist auch komplexere logische Schaltungen zur Verfügung stellen. Die Bausteine einer Familie sind mit dem gleichen Herstellungsprozess gefertigt, verwenden die gleiche Schaltungstechnik, haben ähnliche elektrische sowie mechanische Eigenschaften und lassen sich somit problemlos kombinieren.

Der Begriff Logikfamilie wird, in einem weiter gefassten Sinne, oft auch zur Bezeichnung einer Schaltungstechnik verwendet. Eine bloße Übereinstimmung der verwendeten Schaltungstechnik garantiert jedoch nicht, dass zwei Schaltungen kompatibel sein müssen.

Nomenklatur

74er-Reihe

Texas Instruments SN7400 im 14-poligen DIP

Die heutzutage am häufigsten eingesetzten Logikbausteine stammen aus der sogenannten 74er-Reihe, deren Typnummer mit 74 beginnt (siehe Foto rechts). Die anschließende Zahlenkombination identifiziert die Logikfunktion der Schaltung, die 00 im Beispiel bedeutet, dass dies ein NAND-Baustein ist. Später wurden weitere Logikfamilien entwickelt, die sich in der Herstellungstechnik und den verwendeten Spannungspegeln unterscheiden (und weiterem, siehe unten), nicht aber in der Logikfunktion. Um diese Familien von der ursprünglichen zu unterscheiden, fügt man Buchstaben zwischen die 74 und die "Funktionsnummer" ein. Z. B. hat ein in Low Power Schottky-Technologie produziertes NAND-Gatter die Bezeichnung 74LS00.

Oft setzt der Hersteller noch zwei Buchstaben vor das Präfix, z. B. 'SN' für Texas Instruments oder 'MC' für Motorola (inzwischen ON Semiconductor Corp). ICs unterschiedlicher Hersteller sind ohne weiteres austauschbar.

Aus einer eventuell zusätzlich auf dem IC-Gehäuse aufgedruckten Nummer lässt sich das Herstellungsdatum ableiten, in diesem Fall die 45. Woche des Jahres 1976.

54er- und 84er-Reihen

Die ICs der oben genannten 74er-Reihe gibt es auch in Versionen für erweiterten Temperaturbereich.

Prefix	Temperaturbereich	Bezeichnung
74'	0°C bis +70°C	kommerziell
84'	-25°C bis +85°C	industriell
65'	-40°C bis +85°C	industriell
54'	-55°C bis +125°C	militärisch

4000er-Reihe

Die 4000er-Reihe ist eine CMOS-Logikfamilie. Sie hat heutzutage nur noch historischen Wert. Viele häufig verwendete Bausteine, wie z. B. der PLL-Chip 4046 wurden in die 74er-Reihe übernommen. Die Bezeichnung lautet dann z. B. 74HCT4046.

Entstehung der Logikfamilien

Erste Logikfamilien (RTL / DTL)

Die erste eigentliche Logikfamilie war die Widerstands-Transistor-Logik, meist kurz RTL (für engl. resistor transistor logic) genannt. Diese integrierten Schaltungen bestehen ausschließlich aus Widerständen und Transistoren, die logischen Verknüpfungen werden durch Reihen- beziehungsweise Parallelschaltung der Transistoren erreicht. RTL ist eine Schaltungstechnik, die Hersteller haben verschiedene proprietäre Bausteinfamilien hergestellt.

Bei der Diode-Transistor-Logik (DTL) werden eingangsseitig die logischen Verknüpfungen über Dioden erzeugt und danach mit einer Transistorstufe verstärkt und invertiert. DTL ist ebenfalls als Schaltungstechnik mit inkompatiblen Baureihen zu verstehen. Die langsame störsichere Logik (LSL) ist eine Variante von DTL.

RTL und DTL sind heutzutage nur noch von historischem Interesse.

Transistor-Transistor-Logik (TTL)

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) hat die Diodennetze an den Eingängen durch Transistoren mit mehreren Emitter-Anschlüssen ersetzt. Obwohl anfänglich etliche Halbleiterhersteller eigene Logikfamilien in TTL-Schaltungstechnik hergestellt hatten, setzte sich die TTL-Familie von Texas Instruments bald als Industriestandard durch. Die restlichen Hersteller gaben ihre proprietären Reihen auf und produzierten TTL-Schaltungen mit den gleichen Spezifikationen wie Texas Instruments.

Bei den TTL-Schaltungen hat sich auch die Nummerierung von Texas Instruments durchgesetzt: Der erste Baustein der Reihe, bestehend aus vier NAND-Gattern mit je zwei Eingängen, wurde SN7400 genannt, bei den nachfolgenden Bausteine wurde die Nummer hochgezählt. Andere Hersteller ersetzen lediglich das Präfix SN durch eigene Buchstabenfolgen, beispielsweise DM7400 bei National Semiconductor. 7400 oder kurz '00 wurde so zur generischen (herstellerunabhängigen) Bezeichnung für vier NAND-Gatter in TTL-Technik. (Siehe auch: 74xx)

Diese TTL-Logikfamilie wurde sehr schnell durch Varianten erweitert, die auf niedrigen Stromverbrauch bzw. hohe Schaltgeschwindigkeit optimiert waren und Low-Power-TTL bzw. High-Speed-TTL genannt werden. Aus den Typennummern 74L00 und 74H00 haben sich die Familienbezeichnungen L-TTL und H-TTL oder auch 74L und 74H ergeben. Die ursprüngliche 7400-Logikfamilie wird oft Standard-TTL genannt, um sie von den modifizierten TTL-Familien und vom Überbegriff TTL (im Sinne von TTL-Schaltungstechnik) abzugrenzen.

CMOS

Pinbelegung für vierfaches NAND-Gatter mit je zwei Eingängen bei TTL (7400) und CMOS (4011)

Logische Schaltungen lassen sich nicht nur mit bipolaren Transistoren, sondern auch mit Feldeffekttransistoren, sogenannten MOSFET, realisieren. Die ersten Schaltungstechniken mit MOSFET wurden PMOS und NMOS genannt und verwendeten ausschließlich p-Kanal-MOSFET oder n-Kanal-MOSFET. PMOS- oder NMOS-Schaltungstechnik wurde zwar für viele Digitalschaltungen wie Mikroprozessoren eingesetzt, jedoch entstanden keine eigentlichen Logikfamilien.

CMOS (für Complementary MOS) ist eine Weiterentwicklung von PMOS und NMOS und verwendet eine komplementäre Schaltung, d. h. n- und p-Kanal-MOSFET werden paarweise eingesetzt. RCA Semiconductor entwickelte mit der Serie 4000 die erste Logikfamilie in CMOS-Technik, die sich dann – wie die 7400-Familie bei der TTL-Technik – als Industriestandard durchsetzte und von diversen Herstellern produziert wurde. Verglichen mit TTL zeichnet sich diese Familie durch sehr geringen Stromverbrauch, einen weiten Bereich für die Versorgungsspannung, aber auch langsame Schaltvorgänge und leistungsschwache Ausgangstreiber aus.

Eine große Schwäche der 4000 war die hohe Empfindlichkeit gegen elektrostatische Entladungen (ESD, engl. electrostatic discharge), was leicht zur Zerstörung der Schaltkreise führen konnte. Die Logikfamilie 4000B verringerte dieses Problem mit verbesserten Eingangsschutzschaltungen und brachte weitere Verbesserungen der elektrischen Spezifikationen. Die 4000 und später die 4000B erreichten nie die Verbreitung der TTL-Schaltungen, die 4000B werden aber auch heute noch produziert und eingesetzt.

Die 4000er-Familie verwendet eine eigene Nummerierung, ein vierfaches NAND-Gatter mit je zwei Eingängen wird beispielsweise 4011 ('11) genannt und nicht 7400 ('00 bzw. 74H00, 74L00, 74LS00, usw.) wie bei den TTL-Bausteinen. Zusätzlich zur abweichenden Nummer ist auch die Pinbelegung unterschiedlich: Obwohl die IC beider Familien im gleichen 14-poligen DIP erhältlich sind, liegen Ein- und Ausgänge auf anderen Anschlüssen; die Bausteine sind in keinem Fall austauschbar.

Die 74C-Logikfamilie von National Semiconductor behebt diesen Nachteil: Diese Bausteine waren zwar in CMOS-Technik konstruiert, vergleichbar mit den 4000B, verwendeten jedoch Nummerierung, Funktionsdefinitionen und Pinbelegungen der 7400-Reihe. Die 74C-Familie erlangte keine große Bedeutung, aber die nachfolgenden CMOS-Familien verwendeten ebenfalls die Nummerierung der 7400.

Weitere Logikfamilien

Weitere Logikfamilien sind:

• Langsame störsichere Logik (LSL) — auch als High-Level-Logic (HLL) bekannt
• Emittergekoppelte Logik (ECL)
• Integrierte Injektionslogik (I²L oder IIL) — auch als Strominjektionslogik, Merged Transistor Logic (MTL) und Current-Hogging Injection Logic (CHIL) bekannt
• Gunning Transceiver Logic (GTL) — verwendet u. a. zur Bus-Signalisierung bei Intel-CPUs der P6-, Netburst- und Core-Familien; ansonsten kaum verbreitet

Übersicht über die wichtigsten Logikfamilien

Familie	Typ	Hersteller- Präfix	UB	PV	tpd	Verbrauch PV·tpd
Transistor-Transistor-Logik (TTL)
Standard-TTL	7400	⊔, SN, MC, DM	5 V	10 mW	10 ns	100 pJ
Low-Power-Schottky-TTL	74 LS 00			2 mW	10 ns	20 pJ
Schottky-TTL	74 S 00	⊔, SN, DM		19 mW	3 ns	57 pJ
Low-Power-Advanced-TTL	74 ALS 00	SN, MC, DM		1 mW	4 ns	4 pJ
Fast-TTL	74 F 00	⊔, F, MC, SN		4 mW	3 ns	12 pJ
Advanced-TTL	74 AS 00	SN		10 mW	1,5 ns	15 pJ
Emittergekoppelte Logik (ECL)
Standard-ECL	10.100	⊔, MC, F	-5,2 V	35 mW	2 ns	60 pJ
	10.200	MC			1,5 ns	50 pJ
High-Speed-ECL	1.600			70 mW	1 ns	70 pJ
	10 H 100			35 mW		35 pJ
	100.100	⊔, F	-4,5 V	50 mW	0,75 ns	38 pJ
	10 E 100	MC	-5,2 V		0,4 ns	20 pJ
	100 E 100		-4,5 V	40 mW		16 pJ
Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS)
Standard-CMOS	4.000	TC	5 V 15 V	0,3 mW MHz-1 3 mW MHz-1	90 ns 30 ns	30 pJ MHz-1 90 pJ MHz-1
	14.000	MC
	74 C 00	MM
High-Speed-CMOS	74 HC 00	MC, MM, SP, SN, TC, PC	5 V	0,5 mW MHz-1	10 ns	5 pJ MHz-1
	74 HCT 00
Advanced-CMOS	74 AC 00	SN, PC, F		0,8 mW MHz-1	3 ns	2 pJ MHz-1
	74 ACT 00	SN, F
Low-Voltage-CMOS	74 LV 00	SN, PC, MM, TC	3,3 V	0,6 mW MHz-1	14 ns	8 pJ MHz-1
	74 LVC 00			0,5 mW MHz-1	7 ns	4 pJ MHz-1
	74 ALVC 00			0,4 mW MHz-1	4 ns	2 pJ MHz-1
Hinweise wichtige Bausteine rot hervorgehoben Standard-CMOS-Bausteine arbeiten wahlweise mit 5V oder mit 15 V; die zugehörigen Werte stehen rechts daneben

Hersteller-Präfixe

Präfix	Hersteller
AM	AMD
HD	Hitachi
MC	Motorola
PC	Philips
M	STMicroelectronics
DM, MM, F	National Semiconductor
⊔	Signetics
SN	Texas Instruments
SP	SPI
TC	Toshiba
PO	PotatoSemi

Literatur

• TTL-Taschenbuch. IWT Verlag Vaterstetten, 1996 oder neuer
• Pocket Guide. Texas Instruments, 1983 oder neuer

Weblinks

• Übersicht über 74xx-Logikfamilie
• Übersicht der Logik-Familien