CMOS-IC
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3. Logik-ICs

Aufbau von ICs Schaltkreisfamilien

Aufbau von ICs
ICs sind in vielen verschiedenen Gehäuseformen und Größen erhältlich (heute meist Einsatz von SMD-Technik). Die Anschlüsse werden als Pins bezeichnet. Bei der Gehäuseform DIL (dual in line) sind diese in zwei parallelen Reihen angeordnet (s. Bild links oben). In Schaltungen werden oft Pinnummern angegeben, um zu zeigen wie ein IC angeschlossen wird. Die Belegung wird bei allen ICs so gelesen, dass sich die runde Einkerbung links befindet und der erste Pin links unten die Nummer 1 erhält. Es wird dann gegen den Uhrzeigersinn weitergelesen, so dass der Pin links oben die letzte Nummer erhält.
Im Inneren jedes ICs befindet sich ein dünnes Halbleiterplättchen, auf dem sich die ganze Elektronik befindet (hochkomplizierter Herstellungsprozeß). Von ihm laufen dünne Drähtchen weg, die mit den Pins verbunden sind. Mindestens zwei Pins eines jeden ICs werden für die Stromversorgung benötigt; (In der Zeichnung unten angegeben mit +Ub (Pluspol der Betriebsspannung) und GND (ground = Masse). Manchmal kommt es vor, dass ein Pin intern mit nichts verbunden ist. Man bezeichnet ihn dann als NC (not connected = nicht verbunden).
Die folgende Zeichnung soll das ganze veranschaulichen. Es wird der Aufbau des ICs 7404 gezeigt, der sechs NOT-Gatter enthält (Schaltung rechts ist nur ein Schema, nicht der tatsächliche Aufbau!). Es fällt auf, dass die Inverter als Dreiecke mit Kreis dargestellt sind; das ist ein häufig verwendetes Symbol. Wie man sieht sind die Pins 1, 3, 5, 9, 11, 13 Eingänge, die Pins 2, 4, 6, 8, 10, 12 Ausgänge. Alle Gatter sind natürlich mit der Betriebsspannung verbunden.

Schaltkreisfamilien
Es gibt einige unterschiedliche Arten von ICs. Sie gehören sog. Schaltkreisfamilien an. Die ICs der Familien unterscheiden sich in der eingesetzten Schaltungstechnik und damit z.B. hinsichtlich Stromaufnahme, Betriebspannung oder Geschwindigkeit der Signalverarbeitung.
Bekannt sind z.B. die TTL-Schaltkreise (TTL steht für Transistor-Transistor-Logik). Der IC in der Zeichnung ist so einer (typ. Zahlenbezeichnung 74xx). Es existieren verschiedene Unterfamilien, was durch bestimmte Kürzel im Namen angegeben wird, z.B. LS (Low-Power-Schottky; bedeutet geringere Stromaufnahme) oder AS (Advanced-Schottky; schnellste TTL-Familie). Steht keine Bezeichnung da, dann gehört der IC zu Standard-TTL-Familie. In den 70er Jahren waren die TTL-Schaltkreise Industriestandard, heute sind sie veraltet.
Moderner sind CMOS-Schaltkreise (Complementary Metal Oxide Semiconductor; bedeutet dass die ICs aus N- und P-Kanal MOSFETs aufgebaut sind). Auch hier gibt es Unterfamilien wie z.B. HCMOS (Highspeed CMOS; schnelle CMOS-ICs).
Die CMOS-ICs haben gegenüber TTL-ICs den großen Vorteil, dass sie wegen ihren großen Eingangswiderständen so gut wie keinen Strom benötigen. Nachteilig ist aber, dass sie sehr empfindlich gegen Aufladungen sind.
Wichtig ist die Spannung mit der die ICs betrieben werden müssen. TTL-ICs werden mit einer Spannung von +5V betrieben (darf zwischen ±5% schwanken, kann also zwischen 4,75V-5,25V liegen). CMOS-ICs haben dagegen nicht einen einzigen Spannungswert, man kann sie in einem Bereich von +3V-15V betreiben.
Die folgende Tabelle zeigt die zulässigen Spannungen der ICs.

Spannung TTL-ICs CMOS-ICs
Betriebsspannung +5V +3V-15V
Eingangsspannung
("High"-Pegel)
2V-5V 60%-100% der
Betriebsspannung
Eingangsspannung
("Low"-Pegel)
0V-0,7V 0%-40% der
Betriebsspannung
Ausgangsspannung
("High"-Pegel)
2,4V-5V annähernd
Betriebsspannung
Ausgangsspannung
("Low"-Pegel)
0V-0,4Vannähernd 0V

Wichtig ist, dass die Eingänge der ICs eindeutig auf ’1’ oder auf ’0’ liegen; so ist eine Eingangsspannung zwischen 0,7V und 2V bei TTL-ICs und 40%-60% der Betriebsspannung bei CMOS-ICs nicht erlaubt (Die Ausgänge würden sonst beliebige Pegel annehmen). In der Praxis verwendet man sog. Pullupwiderstände um die Eingänge auf "High"-Pegel zu legen und Pulldownwiderstände um sie auf "Low"-Pegel zu legen (pullup = hochziehen, pulldown = runterziehen). Das folgende Bild zeigt ein Beispiel.

Man sieht zwei NOT-Gatter, deren Eingang je mit einem Widerstand und einem Taster verbunden ist. Beim linken Gatter sieht man einen Pullupwiderstand, der mit dem Pluspol der Betriebsspannung verbunden ist und den Eingang des Gatters dadurch auf ’1’ legt (der Ausgang liegt folglich auf ’0’). Wenn der Taster gedrückt wird, legt man den Eingang auf ’0’ (Ausgang liegt dann auf ’1’). Wenn man den Taster wieder loslässt, wird der Eingang wieder auf ’1’ gelegt (Ruhezustand). Beim rechten NOT-Gatter liegt der Eingang im Ruhezustand auf ’0’, da hier ein Pulldownwiderstand den Eingang mit Masse verbindet. Nur wenn der Taster betätigt wird, wird der Eingang auf ’1’ gelegt (durch die Verbindung mit dem Pluspol der Betriebsspannung).
Pullupwiderstände können vom Prinzip jeden beliebigen Wert haben (sowohl bei TTL- als auch bei CMOS-ICs), Pulldownwiderstände dürfen bei CMOS-ICs auch beliebige Werte haben, bei TTL-ICs dürfen sie einen best. Wert nicht überschreiten. Warum das so ist, liegt an der Bauweise der Gatter. Wer ausführliche Informationen darüber haben möchte:

www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/pullr.htm
Pullup-, Pulldownwiderstände und Entstörungsmaßnahmen