Ratgeber
Alle digitalen Systeme – von der SmartWatch bis zum Superrechner – basieren bekanntlich auf nur zwei Zuständen: Strom an und Strom aus. Übersetzen lassen sich diese binäre Werte auch mit 1 und 0, high und low oder wahr und unwahr. Elektronische Bauelemente zur logischen Verarbeitung dieser Signale nennen sich Gates, zu Deutsch Gatter. Sind sie zu mehreren in einem Chip vereint, nennen sie sich Logik-IC-Gates oder Logic ICs. Es gibt auch Gatter, die nur eine einzige Funktion besitzen, die Inverter.
Was diese ICs genau machen und warum sie heute essentiell für die gesamte Elektronik sind, das erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Die digitale Elektronik basiert auf sieben logischen Aussagen, die im Allgemeinen nur in englischer Schreibweise verwendet werden: AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR und NOT. Im Deutschen entspricht dies und, oder, nicht und, nicht oder, exklusiv oder, exklusiv nicht oder sowie nicht.
Das Funktionsprinzip eines Gatters besteht darin, dass die Schaltung mit nur zwei Spannungswerten arbeitet, bezeichnet als logische 0 und logische 1. Diese Werte entsprechen üblicherweise zwei unterschiedliche Spannungspegeln. In der 5-Volt-Logik wird die 1 idealerweise durch 5 Volt und die 0 durch 0 Volt dargestellt, in der 3,3-V-Logik durch 3,3 Volt und 0 Volt dargestellt.
Liegt dieser Spannungspegel an den Eingängen, reagiert der Ausgang des Gatters, indem er einen 1- oder einen 0-Pegel annimmt, je nach der besonderen Logik des Gatters. Die logischen Regeln lassen sich auf unterschiedliche Weise beschreiben, beispielsweise durch eine Wahrheitstabelle oder durch eine Aussage der Booleschen Algebra.
Dazu ein einfaches Beispiel:
Liegt an einem der beiden Eingänge eines AND-Gatters eine Spannung an, an dem anderen nicht, so lautet das Ergebnis am Ausgang 0. Erst wenn beide Eingänge gleichzeitig Spannung führen, ist das Ergebnis 1. Die dahintersteckende Logik lässt sich vereinfacht formulieren als: "Addiere den Zustand der Eingänge (AND) und zeige als Ergebnis nur dann 1 an, wenn beide Eingänge gleichzeitig Spannung führen."
Bei einem OR-Gate wiederum hieße es: "Liegt auch nur an einem der Eingänge eine Spannung an (OR), zeige am Ausgang 1 an.”
Zur Übersicht hier eine Aufzählung der sieben Logikschaltungen:
| Der Ausgang des UND-Gatters ist eine logische 1, wenn alle Eingänge eine logische 1 sind, andernfalls ist der Ausgang eine logische 0. |
| Der Ausgang des ODER-Gatters ist eine logische 1, wenn einer oder mehrere seiner Eingänge eine logische 1 sind. Wenn alle seine Eingänge logisch 1 sind, ist der Ausgang logisch 0. |
| Der Ausgang des NAND-Gatters ist nur dann logisch 0, wenn alle seine Eingänge logisch 1 sind. Andernfalls ist der Ausgang logisch 0. |
| Der Ausgang des NOR-Gatters ist logisch 0, wenn einer oder mehrere seiner Eingänge logisch 1 sind. Wenn alle seine Eingänge logisch 0 sind, ist der Ausgang logisch 1. |
| Der Ausgang des XOR-Gatters ist logisch 1, wenn nur einer der Eingänge logisch 1 ist. Andernfalls ist der Ausgang logisch 0. |
| Der Ausgang des XNOR-Gatters ist logisch 0, wenn nur einer seiner Eingänge logisch 1 ist, ansonsten ist der Ausgang logisch 1. Es ist also wie beim XOR-Gatter, aber sein Ausgang ist umgekehrt. |
| Der Ausgang des NOT-Gatters ist logisch 0, wenn sein einziger Eingang eine logische 1 ist, und logisch 1, wenn sein einziger Eingang eine logische 0 ist. Aus diesem Grund wird dieses Gate auch als Inverter bezeichnet. |
Ein funktionell vollständiges logisches System kann aus Relais, Röhren oder Transistoren bestehen. Die einfachste Familie von Logik-Gattern verwendet bipolare Transistoren und wird als RTL bezeichnet. Im Gegensatz zu einfachen Dioden-Logik-Gates ohne Verstärkung lassen sich RTL-Gatter unbegrenzt kaskadieren, um komplexere Logikfunktionen zu erzeugen.
RTL-Gatter wurden in frühen ICs verwendet. Um eine höhere Geschwindigkeit und eine bessere Dichte zu erreichen, wurden die in RTL verwendeten Widerstände durch Dioden ersetzt, was zur DTL-Logik führte. Die TTL-Logik verdrängte dann die DTL, um schließlich durch integrierte Schaltungen mit Feldeffekttransistoren, den MOSFETs, ersetzt zu werden.
Die meisten modernen IC-Implementierungen digitaler Systeme arbeiten heute mit CMOS-Logik. CMOS verwendet komplementäre MOSFET-Bausteine und erreicht damit hohe Geschwindigkeiten bei geringer Verlustleistung.
Für kleine Schaltkreise verwenden Entwickler heute vorgefertigte Logik-IC-Gates aus Bausteinfamilien wie der TTL 7400-Serie oder der CMOS 4000-Serie sowie deren Nachfolger. Ein großer Vorteil dieser standardisierten Logikschaltungen besteht darin, dass sie sich wie RTL-Gatter kaskadieren lassen. Das bedeutet, dass der Ausgang eines Gatters mit den Eingängen eines oder mehrerer anderer Gatter verdrahtet werden kann. Systeme mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad sind damit realisierbar, ohne dass sich der Konstrukteur große Gedanken über die interne Funktionsweise der Gatter machen muss. Vorausgesetzt natürlich, die Grenzen der einzelnen ICs werden berücksichtigt.
Der Ausgang eines IC-Gates kann allerdings nur eine endliche Anzahl von Eingängen anderer Gatter ansteuern, eine Zahl, die als Fan-out-Grenze bezeichnet wird. Außerdem gibt es die so genannte Ausbreitungsverzögerung, zwischen einer Änderung am Eingang eines IC-Gatters und der entsprechenden Änderung an seinem Ausgang.
Ein Inverter gibt eine Spannung aus, die den entgegengesetzten logischen Pegel zu ihrem Eingang darstellt. Seine Hauptfunktion besteht im Invertieren des angelegten Eingangssignals: Ist das Signal niedrig, wird der Ausgang auf hoch gesetzt und umgekehrt.
Inverter lassen sich mit einem einzelnen NMOS- oder PMOS-Transistor in Verbindung mit einem Widerstand aufbauen. Da bei diesem Ansatz nur ein einziger Transistortyp verwendet wird, ist der Aufbau recht kostengünstig. Da jedoch in einem der beiden Zustände Strom durch den Widerstand fließt, ist die Konfiguration hinsichtlich des Stromverbrauchs und der Verarbeitungsgeschwindigkeit nicht optimal. Alternativ können Inverter mit zwei komplementären Transistoren in einer CMOS-Konfiguration aufgebaut werden. Diese Konfiguration senkt den Stromverbrauch erheblich, da einer der Transistoren in beiden logischen Zuständen immer ausgeschaltet ist.
Einige Inverter verwenden auch Schmitt-Trigger als Schaltelement. Es handelt sich dabei um eine aktive Schaltung, die ein analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umwandelt. Die Schaltung wird als Trigger bezeichnet, weil der Ausgang seinen Wert beibehält, bis sich der Eingang ausreichend ändert, um ein anderes Signal auszulösen.