Spezialausgangs-Logikgatter: Komplementär, Tristate und Bilaterale Schalter

Komplementäre Ausgangsgatter

In vielen Designs benötigen Ingenieure ein Gatter, das sowohl invertierte als auch nicht-invertierte Ausgänge von einem einzigen Logikelement liefert. Ein klassisches Beispiel ist ein ein-ingangsiger Puffer, der gleichzeitig als Inverter fungiert und separate Terminals für jede Funktion bereitstellt.

Zwei-ingangsige Gatter, die simultan UND- und NAND-Ergebnisse liefern, sind ebenfalls verfügbar. Diese Geräte heißen komplementäre Ausgangsgatter.

Das Standardsymbol für ein solches Gatter ist die grundlegende Gatterform mit einem Balken und zwei Ausgangsleitungen. Ein Array komplementärer Symbole ist unten gezeigt:

Vorteile komplementärer Gatter

Komplementäre Gatter sind in dicht bestückten Schaltungen, wo Platz knapp ist, unschätzbar. Sie eliminieren die Notwendigkeit zusätzlicher Inverter-ICs, sparen Boardfläche und reduzieren die Bauteilanzahl.

Da die invertierten und nicht-invertierten Ausgänge fast gleichzeitig schalten, gibt es keine signifikante Laufzeitdifferenz zwischen ihnen. Diese Eigenschaft ist kritisch in zeitkritischen Anwendungen.

Tristate-Gatter

Tristate-Ausgänge können drei distinkte Zustände annehmen: logisches low treiben (Stromsenke), logisches high treiben (Stromquelle) oder schwebend (hochohmig). Sie werden häufig über einen zusätzlichen Steuerpin, den Enable-Eingang, zu Puffer-Gattern hinzugefügt.

Wenn Enable high ist (Logik 1), verhält sich der Puffer wie eine normale Push-Pull-Stufe. Wenn Enable low ist (Logik 0), geht der Ausgang in High-Z, was das Gatter effektiv von der Schaltung trennt.

In schematischer Notation wird ein Tristate-Puffer durch ein Dreieck innerhalb des Gattersymbols angezeigt:

Einige Hersteller bieten eine invertierte-Enable-Version an, bei der der High-Z-Zustand eintritt, wenn Enable high ist:

Bilaterale Schalter

Bilaterale Schalter sind Halbleiter-SPST-Geräte, gebaut aus MOSFETs. Im ON-Zustand beträgt ihr Widerstand nur wenige hundert Ohm; im OFF-Zustand steigt er auf mehrere hundert Megaohm.

In Schaltplänen erscheinen sie als Rechteck mit Steuerpin und zwei Anschlüssen, ähnlich einem Relais aber ohne bewegliche Teile. Als Halbleiterbauelemente vermeiden sie mechanische Probleme wie Prellen, Lichtbogen und Vibration.

Allerdings haben bilaterale Schalter begrenzte Strombelastbarkeit, und die Signallspannung muss innerhalb der Versorgungsrails des Schalter-ICs bleiben.

Der 4066 IC enthält vier unabhängige bilaterale Schalter:

Kurzübersicht

• Komplementäre Gatter liefern invertierte und nicht-invertierte Ausgänge mit vernachlässigbarer Verzögerung.
• Tristate-Gatter bieten high, low und high-Z Ausgänge, gesteuert durch einen Enable-Pin.
• Bilaterale Schalter sind Halbleiterrelais, die analoge oder digitale Signale schalten können, aber mit bescheidener Stromfähigkeit.

Verwandtes Arbeitsblatt

• Boolean Algebra Worksheet