Digitale Schaltungstechnik/ Gatterlaufzeit

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Betrachten wir diese Schaltung:
Measure Delay of an Not.svg
Auf dem Oszilloskop würden wir folgendes Signal sehen:
Measure Delay of an Not Scope 1.svg
Das Bild unspektakulär, es handelt sich eigentlich nur um das Impulsdiagramm eines NOTs.
Drehen wir aber stark an der Zeitachse, verändert das Bild sich plötzlich:
Measure Delay of an Not Scope 2.svg
Am augenfälligsten: Unsere Impulse sind nicht so rechteckig, wie wir bisher angenommen haben, sondern haben nur eine begrenzte (also endliche) Steilheit.

Was aber eigentlich noch interessanter ist, ist dass das NOT-Gatter nicht sofort umschaltet.

Die Zeit, die das Not-Gatter zum Umschalten braucht, bezeichnen wir als Gatterlaufzeit und mit dieser werden wir uns nun beschäftigen.

Abhängigkeiten[Bearbeiten]

Die Gatterlaufzeit (Englisch propagation delay) ist nicht konstant, sondern von mehreren Faktoren abhängig.

Logikfamilie[Bearbeiten]

Vergleichen wir die maximalen Gatterlaufzeiten bei verschiedenen Logikfamilien bei 5V:[1]

Familie CMOS TTL LS-TTL HCMOS advanded Scottky
Abkürzung der Familie HE4000 74 74LS 74HC 74AS
Gatterlaufzeit 80ns 20ns 15ns 14ns 2.5ns

Diese Tabelle zeigt die großen Unterschiede zwischen den Familien:

Zwischen der langsamsten und der schnellsten schnellsten Familie schwankt der Wert um Faktor 32.

Belastungen[Bearbeiten]

Belastung der Ausgänge kann großen Einfluss auf die Gatterlaufzeit haben. Da zu zählen zum Beispiel Pull-Up/Pull-Down Widerstände, Kondensatoren und Logikeingänge.

Tendenziell gilt: Je mehr an einem Ausgang hängt, desto länger dauert der Schaltvorgang.

Gattertyp[Bearbeiten]

Die Gatterlaufzeit ist auch vom Gattertyp abhängig.

Betrachten wir diese Tabelle:

Funktion 3-input NOR 3-input NAND 4-Input NOR 2-input NOR 2-input NAND Inverter
Nummer HEF4000 HEF4023 HEF4002 HEF4001 HEF4011 HEF4069
Gatterlaufzeit 140ns[2] 135ns[3] 120ns[4] 120ns[5] 110ns[6] 90ns[7]

Die Gatterlaufzeiten stammen aus den Datenblättern von NXP, bei anderen Herstellern weichen sie ab.

Zusammenfassung[Bearbeiten]

Wenn die Gatterlaufzeiten in der Praxis eine Rolle spielen, müssen die Werte der verwendeten Bauteile aus den Dattenblättern geholt werden.

Im weiteren Verlauf des Buches werden die Gatterlaufzeiten als Tabelle Verfügung gestellt und Einflüsse durch Belastung ausgeblendet.

In welchen Fallen die Gatterlaufzeit eine Rolle spielt, kommt später im Kapitel explizit zu Worte.

Quellen[Bearbeiten]

  1. http://www.nxp.com/acrobat_download/various/HCT_USER_GUIDE.pdf
  2. http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4000B_CNV_3.pdf
  3. http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4023B_CNV_3.pdf
  4. http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4002B_CNV_3.pdf
  5. http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4001B_5.pdf
  6. http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4011B_CNV_3.pdf
  7. http://www.nxp.com/acrobat_download/datasheets/HEF4069UB_4.pdf