Das NOT-Gatter (Inverter) in TTL-Schaltungen verstehen

Ein Einzeltransistor-Inverter ist zwar anschaulich, bietet aber nicht die Leistung, die für echte digitale Logik erforderlich ist. Praktische NOT-Gatter setzen mehrere Transistoren ein, um hohe Spannungsverstärkung zu erreichen, sodass der Ausgangstransistor sauber in voller Sperrung oder voller Sättigung arbeitet, und beinhalten Schutzelemente gegen versehentliche Beschädigung.

Praktisches Inverter-Schaltbild

Unten sehen Sie ein vollständiges Schaltbild eines funktionsfähigen TTL-NOT-Gatters mit allen für zuverlässigen, hochverstärkenden Betrieb wesentlichen Komponenten:

Das Design basiert ausschließlich auf Widerständen, Dioden und Bipolartransistoren (BJTs). Alternative Topologien, wie solche mit Feldeffekttransistoren (FETs), können die NOT-Operation ebenfalls realisieren und werden später in diesem Leitfaden behandelt.

NOT-Gatter Schaltungsanalyse

High-Eingang

Betrachten wir zunächst den Fall, wo der Eingangslogikpegel high ist (binäres „1“). Dieses Szenario lässt sich modellieren, indem man den Eingangspin über einen Schalter an die Versorgungsspannung Vcc anschließt:

Bei high-getriebenem Eingang wird Diode D1 gegengepolt und leitet keinen Strom. Ihr einziger Zweck ist der Schutz des Transistors vor versehentlichen negativen Spannungen am Eingang.

Unter diesen Bedingungen bleibt die Basis-Emitter-Strecke von Transistor Q1 nicht leitend. Q1 wird jedoch nicht im konventionellen Sinne genutzt; es fungiert als Paar gegengesetzter Dioden. Das vereinfachte Schaltbild unten veranschaulicht diese Rolle:

Die beiden Dioden in Q1 leiten Strom zum oder weg vom Basisanschluss von Q2, abhängig vom Eingangslogikpegel. Um diese Lenkungswirkung zu verstehen, stellen Sie sich eine vereinfachte Schaltung vor, die nur aus den Basis-Emitter-Strecken von Q2 und Q4 als einzelne Dioden besteht, wobei der Rest der Schaltung entfernt ist:

Wenn der Eingangsschalter in der „oben“-Position ist (mit Vcc verbunden), fließt kein Strom durch die linke Lenkdiode von Q1, da keine Spannungsschleife Elektronen antreibt. Strom fließt jedoch durch die rechte Lenkdiode, die Basis-Emitter-Diode von Q2 und die Basis-Emitter-Diode von Q4:

Das bedeutet, dass im tatsächlichen Inverter Q2 und Q4 Basisstrom erhalten und durchschalten, sodass Kollektorstrom fließt. Der Spannungsabfall vom Knoten an der Verbindung der beiden Lenkdioden bis zur Masse beträgt ca. 2,1 V – die Summe von drei Silizium-PN-Übergängen (die rechte Lenkdiode, die Basis-Emitter-Strecke von Q2 und die Basis-Emitter-Strecke von Q4).

Low-Eingang

Bewegen wir nun den Eingangsschalter in die „unten“-Position und beobachten das resultierende Verhalten:

In diesem Zustand fließt der gesamte Strom durch die linke Lenkdiode von Q1 und keiner durch die rechte. Obwohl ein vollständiger Pfad für Strom durch die rechte Diode und die Reihe von Q4 und Q2 zu bestehen scheint, ist die Durchlassspannung der linken Diode (~0,7 V für Silizium) unzureichend, um die Serienschaltung der anderen beiden Dioden in Durchlassrichtung zu bringen, was jeden Basisstrom in Q2 oder Q4 verhindert. Folglich bleiben beide Transistoren in Sperrung.

Bei high-Eingang stellt die linke Lenkdiode keinen Spannungsabfall dar, sodass die rechte Diode Basisstrom in Q2 über Widerstand R1 leiten kann:

Mit ausreichendem Basistrieb sättigt Q2, zieht R3 tief genug, um die Basis-Emitter-Strecke von Q4 vorzuspannen, was auch sättigt. Der Ausgangsknoten wird dann effektiv auf Masse kurzgeschlossen, was ein logisches „0“ erzeugt. Diode D2 verhindert, dass Q3 einschaltet, und hält es in Sperrung.

Low-Eingang Ausgangsanalyse

Umgekehrt fließt bei low-Eingang Strom durch die linke Lenkdiode von Q1, was Q2 und Q4 abschaltet. Die Basis von Q3 erhält genügend Spannung, um seine Basis-Emitter-Strecke vorzuspannen und in Sättigung zu treiben. Der Ausgang steigt auf einen high-Pegel (typischerweise ca. 4 V, abhängig von Last und Sättigung), was das logische „1“ erfüllt. Somit liefert der Inverter eine perfekte logische Inversion: „1“-Eingang ergibt „0“-Ausgang und umgekehrt.

Schaltungsbeobachtungen

Eine bemerkenswerte Eigenschaft dieses TTL-Inverters ist, dass der Eingang standardmäßig auf einen high-Logikpegel defaults, wenn er offen gelassen wird. In diesem Fall fließt kein Strom durch die linke Lenkdiode, und die gesamte Vorspannung von R1 wird an die Basis von Q2 angelegt, was diesen einschaltet und den Ausgang low treibt:

Transistor-Transistor-Logik (TTL)

Die Tendenz von TTL-Gattern, im offenen Zustand einen high-Zustand anzunehmen, ist eine fundamentale Eigenschaft der Transistor-Transistor-Logik-Familie. Dieses Verhalten vereinfacht das Design von Gatterausgängen, besonders wenn der Ausgang eines Gatters den Eingang eines anderen treibt, da ein TTL-Eingang nur einen Pfad zur Masse benötigt, um einen low-Zustand anzuzeigen, und offen bleiben kann, um einen high-Zustand anzuzeigen.

Stromquellen und -senken

Stromquellen (Sourcing)

Ein TTL-Gatter kann sowohl Strom liefern (source) als auch aufnehmen (sink) über seine Totem-Pole-Ausgangsstufe. Wenn der Ausgang high ist, verbindet der gesättigte Q3 den Ausgangsknoten mit Vcc, sodass Strom von der Last durch den Emittor von Q3 zurück zur Versorgung fließen kann:

Konzeptionell kann der Ausgang als Umschalter betrachtet werden: Bei high-Ausgang verbindet der Schalter den Ausgang mit Vcc; bei low-Ausgang verbindet er den Ausgang mit Masse.

Stromsenken (Sinking)

Wenn der Ausgang low ist, verbindet der Q4-Transistor den Ausgang mit Masse, sodass Strom von der Versorgung, durch die Last und in den Emittor von Q4 fließen kann:

Diese dualen Fähigkeiten – sourcing bei high und sinking bei low – sind essenziell für das Ansteuern einer Vielzahl digitaler Lasten.

Anforderungen für TTL-Betrieb

TTL-Eingänge sind so ausgelegt, dass sie nur einen Sinkstrom akzeptieren; sie sind im offenen Zustand inhärent high. Daher muss ein Gatter, das einen TTL-Eingang treibt, nur einen Sinkpfad bereitstellen, um einen low-Eingang zu erzeugen. Dies eliminiert die Notwendigkeit für das treibende Gatter, Strom zum empfangenden Eingang zu liefern.

Open-Collector-Ausgang

Da TTL-Eingänge kein Stromsourcing erfordern, kann die Ausgangsstufe durch Entfernen von Q3 vereinfacht werden, was eine Open-Collector-Konfiguration ergibt. Der Ausgang kann dann durch einen externen Widerstand auf high gezogen werden:

Das Standardsymbol für ein Open-Collector-Inverter-Gatter ist unten gezeigt:

Zusammenfassung

• Ein NOT-(Inverter)-Gatter erzeugt den gegenteiligen Logikpegel am Ausgang: low-Eingang ergibt high-Ausgang, high-Eingang ergibt low-Ausgang.
• TTL-Gatter – aufgebaut aus Widerständen, Dioden und BJTs – bieten hohe Spannungsverstärkung und robusten Schutz. Alternative Familien, wie FET-basierte Logik, sind ebenfalls verfügbar.
• Wenn ein Gatter Strom „sourced“, verbindet es den Ausgang mit der positiven Versorgungsspannung und liefert einen high-Logikpegel.
• Wenn ein Gatter Strom „sinkt“, verbindet es den Ausgang mit Masse und liefert einen low-Logikpegel.
• Totem-Pole-Ausgänge können sowohl sourcen als also sinken, während Open-Collector-Ausgänge nur sinken können. Open-Collector-Gatter eignen sich gut zum Treiben von TTL-Eingängen, da TTL-Eingänge nie Strom sourcen müssen.

Verwandte Arbeitsblätter

• TTL Logic Gates Worksheet
• Basic Logic Gates Worksheet