Signalpegel für IC der TTL-Familie (und CMOS)


Im folgenden werde ich mich genauer auf ein NAND-Gatter in TTL-Technologie beziehen.

Die digitalen Schaltkreise der TTL-Familie 74xx werden üblicherweise mit +5V betrieben (Betriebsspannung). Hieraus resultiert, das theoretisch jeder Eingang eines IC mit einer Eingangsspannung von Ue [0V, 5V] beaufschlagt werden kann. ( D.h. jede Spannung aus dem Intervall kann anliegen und auf den Eingang wirken.). Konstruktiv ist der IC so dimensioniert, daß eine Eingangsspannung Ue < 0.8V von der IC als Low-Pegel und eine Eingangsspannung Ue > 2V als High-Pegel ausgewertet wird. Diese Konvention wird weitestgehend von allen TTL-Familienmitgliedern erfüllt.

Der Bereich von 0.8V < Ue < 2V trennt nun die Low / High-Pegel deutlich voneinander. Dieser Bereich wird auch als verboterner Eingangsspannungsbereich bezeichnet. Die Funktion des IC in diesem Bereich ist nicht näher definiert und unterliegt z.B. Fertigungstoleranzen.

Je nach interner Logik gibt die IC am Ausgang einen definierten Signalpegel aus. Hierbei wird der Ausgangsspannung Ua < 0.4 V der Low-Pegel zugeordnet, bei Ausgangsspannung Ua > 2.4 V dann entsprechend der High-Pegel.

Sowohl bei Low- wie auch bei High-Pegel unterscheiden sich die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung zum jeweiligen Pegel um 0,4V. (Bsp.: UsLow = UeLow-UaLow = 0,4V) Diese Spannungsdifferenz wird als der statische Störabstand (worst-case-Störabstand) bezeichnet.

Beachte:
Diese 0,4V gelten nur für TTL. Bei CMOS ist (nur) die Definition des Störabstandes gleich. CMOS wird traditionell mit VCC = +10V betrieben. Als Low-Pegel werden ca. 45 bis 50% VCC (Betriebsspannungsabhängig!) erkannt. Die statische Störsicherheit liegt bei ca. 30 bis 45% der Betriebsspannung!

Typische Werte für CMOS bei +5V VCC: (Werte bei CMOS sind Abhänging von VCC!)

H-Eingang..........UIH min. 3,5 V (Alle Eingangsspannungen größer UIH werden als H-Pegel gewertet.)
H-Ausgang.........UOH min. 4,95 V (Index I = Input, Index O = Output)
L-Eingang...........UIL max. 1,5 V
L-Ausgang..........UOL max. 0,05 V
Eingangsstrom......IL max. 0,1 µA
Ausgangsstrom....-IOH max. 1,0 mA


Die Übertragungskennlinie


Die Übertragungskennlinie (Ausgangstransferkennlinie) zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Eingangsspannung. Eine möglichst steile, treppenförmig verlaufende Kennlinie ist im Hinblick auf die Umschaltung Low - High Zustand und dem Störabstand am günstigsten.
Kennlinie


Störabstand aus der Kennlinie (CMOS):


Wir wollen wissen, welche Eingangsspannung (z.B. Low) am Ausgang noch ein "sauberes" (z.B. High) Signal erzeugt.

KennlinieDazu suchen wir uns auf der Kennlinie einen Punkt, bei dem nur geringe Änderung der Ausgangsspannung vom idealen High-Pegel (5V) zu bemerken ist. Wir gehen jedoch nicht genau bis an den Punkt der Kurvenkrümmung heran, da wir auch Bauelementetoleranzen berücksichtigen wollen. Zu diesem Punkt existiert auch eine dazugehörige Eingangsspannung. D.h. bei einer Eingangsspannung von UIL (low) besitz das Gatter (NAND, NEG, NOR) noch einen definierten High-Pegel mit der Spannung UOH , ein sicheres Schalten ist innerhalb dieser Spannungspegel möglich. Analog für UIH und UOL .

Praktisch bedeutet dies z.B. : Ein Gatter liefert einen Ausgangspegel H. Dieser ist im schlechtesten Fall = 4,95V. Eine Leitung verbindet nun diesen Ausgang mit dem Eingang eines zweiten Gatters. Das Signal kann nun auf dieser Leitung soweit verfälscht werden (Widerstand), daß des am nachfolgenden Eingang noch min. 3,5V beträgt, um als High gewertet zu werden. Diese Differenz UsHigh = 1,45V (29% VCC) wird als statischer Störabstand High bezeichnet.