Logikfamilien und Kennzeichnung digitaler ICs

Ein NAND-Gatter ist ein NAND-Gatter – aber ein 74LS00, ein 74HC00 und ein 74LVC00 sind trotzdem nicht ohne Weiteres austauschbar. Sie gehören zu verschiedenen Logikfamilien: Bauteilreihen mit gemeinsamer Technologie, gemeinsamer Versorgungsspannung und gemeinsamen Schwellen dafür, was als „0“ und was als „1“ gilt. Wer digitale ICs kombiniert – etwa einen 3,3-V-Mikrocontroller mit einem 5-V-Baustein –, muss diese Familien kennen. Die Symbole der Gatter erklärt Schaltzeichen der Digitaltechnik.

Die Bezeichnung entschlüsseln

Die verbreitete 74er-Reihe hat ein einheitliches Namensschema. Am Beispiel SN74HC00N:

Die Funktionsnummer ist über alle Familien gleich: Ein 74LS00, 74HC00 und 74LVC00 enthalten alle vier NAND-Gatter mit gleicher Anschlussbelegung (beim gleichen Gehäuse). Das macht die Reihe so praktisch. Einige bekannte Nummern: 00 (NAND), 02 (NOR), 04 (Inverter), 08 (AND), 14 (Inverter mit Schmitt-Trigger), 32 (OR), 74 (D-Flipflop), 86 (XOR), 595 (Schieberegister).

Die ältere CMOS-4000er-Reihe hat eigene Nummern ohne Bezug zur 74er-Reihe: 4011 (vier NAND), 4017 (Dekadenzähler), 4060 (Zähler mit Oszillator). Das „B“ in CD4011B steht für die gepufferte Ausführung.

Kurzzeichen in älteren Schaltplänen

In deutschen Schaltplänen und Lehrbüchern aus der Zeit vor den heutigen IEC-Symbolen trägt das Rechteck eines digitalen Bausteins oft keine Typnummer, sondern ein Kurzzeichen für seine Funktion. Es ist von grob nach fein aufgebaut: zuerst die Art der Schaltung, dann Zusätze wie Zählrichtung oder Code, am Ende die Zahl der Bits. „Z-Bin 4“ wäre so ein 4-Bit-Binärzähler, „S-V/R 8“ ein 8-Bit-Schieberegister, das in beide Richtungen schieben kann.

Auch die Anschlüsse folgen einem Muster: Eingänge heißen A, B, C …, Ausgänge Q bzw. Qa, Qb … oder Q0, Q1 …, der Takt C oder T, Setzen und Rücksetzen S und R. Bei BCD-Eingängen ist A das niederwertigste Bit. Einfache Gatter brauchen kein Kurzzeichen, weil das Symbol selbst die Funktion zeigt. Triffst du in einem alten Plan auf solche Angaben, hilft dir die Tabelle beim Übersetzen in einen heutigen Typ.

Die wichtigsten Familien

Die Laufzeiten sind Richtwerte; sie hängen von Spannung, Last und Temperatur ab. Bipolare TTL-Familien verbrauchen auch im Ruhezustand Strom, CMOS nur beim Umschalten – deshalb hat CMOS die TTL-Technik fast vollständig verdrängt.

Pegel und Störabstand

Ein digitaler Eingang unterscheidet nur zwischen „Low“ und „High“. Dazwischen liegt ein verbotener Bereich, in dem das Verhalten undefiniert ist. Für jede Familie gibt das Datenblatt vier Grenzwerte an: U_IL (höchste Spannung, die sicher als Low gilt), U_IH (niedrigste, die sicher als High gilt) und für den Ausgang U_OL und U_OH.

Der Störabstand ist die Reserve zwischen dem, was ein Ausgang garantiert, und dem, was ein Eingang braucht: U_OH,min − U_IH,min für High. Bei TTL sind das 2,4 V − 2,0 V = 0,4 V. Störungen auf der Leitung, die kleiner sind, verfälschen das Signal nicht. Mehr zu Störungen auf Leitungen steht unter Reflexionen und EMV.

Typische Fallstricke

• Offene CMOS-Eingänge: Ein unbeschalteter Eingang floatet irgendwo im verbotenen Bereich. Das Gatter schwingt dann oder zieht Querstrom. Unbenutzte Eingänge immer auf Masse oder Versorgung legen.
• Fehlende Abblockkondensatoren: Jedes Logik-IC braucht 100 nF direkt zwischen seinen Versorgungspins. Beim Umschalten ziehen die Ausgänge kurze Stromspitzen.
• Langsame Flanken: Normale CMOS-Eingänge mögen keine langsam ansteigenden Signale (etwa von einem RC-Glied); sie schalten dann mehrfach. Dafür gibt es Eingänge mit Schmitt-Trigger (74HC14).
• Familien mischen: Innerhalb einer Schaltung möglichst eine Familie verwenden; wo das nicht geht, Pegel prüfen oder Pegelwandler einsetzen.

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