Digitale Schaltungstechnik/ Gatterlaufzeit

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Einleitung Gatterlaufzeit Signallaufzeit Nutzen weitere Informationen

Betrachten wir diese Schaltung:
Auf dem Oszilloskop würden wir folgendes Signal sehen:
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:
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

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

Logikfamilie

Vergleichen wir die maximalen Gatterlaufzeiten bei verschiedenen Logikfamilien bei 5V:

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

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

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	135ns	120ns	120ns	110ns	90ns

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

Zusammenfassung

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.