De verschillende Logica in IC's / Chip.

Omdat er diverse verschillende Logische poorten bestaan, wordt de logica welke daarbij in gebruik is ondergebracht in Logica families.

Welke Logica-families zijn er ?


Er zijn acht hoofdcategorieën in de logica-families.
De volgende lijst geeft ruwweg in volgorde van het op de markt verschijnen van het type logica de families weer.
Tussen haakjes staat hierbij achter de beschrijving van de gebruikte productietechniek de afkorting welke vaak op het betreffende IC gedrukt staat, deze weerspiegelt uiteraard de Engelse vorm van de beschrijving van de logica:
  1. DiodeLogica (DL)
  2. Weerstandtransistorlogica (RTL)
  3. Diode-transistorlogica (DTL)
  4. Transistor-transistorlogica (TTL)
  5. Emitter gekoppelde logica (ECL)
  6. CMOS-logica (CMOS)
  7. NMOS-logica en PMOS logica (NMOS) en (PMOS)
  8. BiCMOS-logica (BiCMOS)

Van bovenstaande acht families zijn feitelijk alleen de laatste vijf nog in gebruik. Vandaar dat de eerste 3 in het grijs zijn weergegeven.
Opmerking: de zeer snelle ECL familie, wordt alleen in zeer bijzondere gevallen toegepast, vanwege zijn enorm hoge prijs.

De NMOS- en PMOS-logica wordt voornamelijk in zeer ingewikkelde chips toegepast, zoals bijvoorbeelde in de AM1705 microprocessor waarbij het eigenlijk (VLSI-logica) wordt genoemd.

BiCMOS is gecombineerde logica op CMOS basis, waarmee een nog lager energieverbruik met nog hogere schakelsnelheden worden behaald.


TTL Logica

SN7400N.png
Hierboven ziet u een SN7400N IC (herkenbaar aan de opgedrukte SN7400N codering). De J746C2L opdruk is een productie-nummer van de fabrikant.
Het is van het groot belang, dat u een goede herkenning heeft van de codering van verschillende IC-reeksen. Bij twijfel tik altijd de codering in een zoekmachine op internet in, om te kijken of het klopt met wat u aanneemt.
Naarmate u meer met IC's doet, gaat de herkenning een stuk gemakkelijker.

De oudste logica-familie welke nog steeds toegepast wordt, is de Transistor_Transistor_Logica-familie welke opgebouwd is uit bipolaire junctie transistoren.

In de loop der jaren, zijn er steeds verbeteringen doorgevoerd bij de TTL-logica.
Om dit duidelijk te maken, is de codering van de IC's aangepast.

Hieronder is een opsomming van TTL-logica weergegeven, waarbij de oudste vorm bovenaan staat. Vet weergegeven de mogelijk opgedrukte codering.

  • Transistor-transistor logica (TTL), 10 nanoSeconde schakelsnelheid, 10 milliWatt vermogen-dissipatie, ontwikkeld in 1964, SN7400
  • Low-power TTL logica (L) grotere weerstanden geven 1 milliWatt vermogen-dissipatie, trage 33 nanoSeconde schakelsnelheid, ontwikkeld in 1964, SN74L00
  • High-speed TTL logica (H), 6 nanoSeconde schakelsnelheid, hoge 22 milliWatt vermogen-dissipatie, ontwikkeld in 1964, SN74H00
  • High-speed Schottky TTL logica (S), 3 nanoSecode schakelsnelheid, 20 milliWatt vermogen-dissipatie, ontwikkeld in 1969, SN74S00
  • Low-power Schottky TTL logica (LS), 10 nanoSeconde schakelsnelheid, 2 milliWatt vermogen-dissipatie, ontwikkeld in 1976, SN74LS00
  • Advanced Low Power Schottky TTL logica (ALS), 4 nanoSeconde schakelsnelheid, 1,2 milliWatt vermogen-disspipatie, ontwikkeld in 1976, SN74ALS00
  • Fast TTL logica (F), 3,4 nanoSeconde schakelsnelheid, 6 milliWatt vermogen-dissipatie, ontwikkeld in 1979, SN74F00
  • Advanced Schottky TTL logica (AS), 1,7 nanoSeconde schakelsnelheid, 8 milliWatt vermogen-dissipatie, ontwikkeld in 1980, SN74AS00


  • De standaard TTL uitvoering van deze logica, voldoet goed maar heeft in verhouding met hedendaagse logica een paar nadelen.
  • Ten eerste: verbruikt deze uitvoering het een hoop energie, hetgeen in de vorm van warmte naar buiten afgevoerd moet worden.
  • Ten tweede: is de schakelsnelheid van de gebruikte transistoren laag in verhouding tot modernere vormen van logica.


  • LET OP: er kunnen zich situatie's voordoen, waarbij niet alle ingangen van één of meerdere poorten in een standaard TTL integrated circuit, worden gebruikt. Deze ongebruikte ingangen mogen niet aangesloten blijven (dit noemt men ook wel "zwevend"). Op zich zal dat geen problemen geven, mocht een poort zich toch raar gaan gedragen, is het verbinden van een losse ingang aan de positieve voedingsspanning wellicht een oplossing. Dit kan omdat een "zwevende" ingang in de TTL-logica als Hoog of "1" zal worden gezien. Voorgaande is alleen van toepassing op de STANDAARD TTL-logica. Voor de nieuwere op MOS-techniek ontwikkelde TTL-logica (welke verderop aan de orde komt) gelden de regels voor CMOS-logica.

    De S en LS TTL-uitvoeringen.
    De Duitse fysicus Walter H. Schottky formuleerde een theorie die het natuurkundige effect beschrijft, dat nu als het Schottkyeffect bekendstaat.
    Deze theorie leidde tot de uitvinding van de Schottkydiode en later tot die van de Schottkytransistor. Schottkytransistoren hebben een veel hogere schakelsnelheid dan conventionele transistoren, en daarom kunnen daarmee opgebouwde logische poorten een veel hogere schakelsnelheid aan waarmee het tweede nadeel van de gewone TTL uitvoeringen is opgelost.

    Het nadeel van hoog energieverbruik was bij de met Schottky uitgeruste logische poorten S-type logica niet opgelost, deze uitvoeringen verbruiken zelfs meer nog meer energie dan conventionele transistoren.

    Dit nadeel werd later iets verzacht door de uitvinding van Low power Schottky LS-type logica.
    Het LS-type heeft minder stroom nodig dan de S-type-logica, maar nog steeds meer dan gewone TTL-logica.

    Daarbij is LS-type logica een fractie langzamer dan S-type logica.

    Maar met de introductie van Advanced Low power Schottky logica (ALS-type logica) werden deze nadelen voor een groot deel opgelost.
    Een andere familie genaamd Fast TTL (F-type logica) werd ook nog geïntroduceerd, en deze was zelfs nog iets sneller dan ALS-logica maar had maar een beperkt succes.

    CONCLUSIE: afhankelijk van de toepassing en het te verbruiken energie en de schakelsnelheid, is de keuze van het TTL-type belangrijk.

    Als laatste heeft TTL logica altijd en voedingsspanning van 5 Volt (met een marge van + of - 0,5 Volt) nodig.
    Bekijk altijd in de datasheet de door de fabrikant aanbevolen werkomstandigheden, met name de minimale, normale, en maximale voedingsspanning.


    Wijze van Codering bij TTL welke op de behuizing gestempeld wordt.

    Deze logica-familie gebruikt normaal gesproken de volgende benamingsconventie:
    Als eerste(geheel links in de codering) een twee- of drieletterig voorvoegsel welke de fabrikant van het IC identificeert.

    Het voorvoegsel wordt gevolgd door een getal. Dat kan 74 of 54 zijn.
    Het 54-getal duidt er op dat het om een IC gaat dat aan militaire specificaties ( -55ºC tot +125ºC ) werktemperatuur voldoet.
    Het 74-getal duidt er op dat het om een IC gaat dat aan comerciëele specificaties ( 0ºC tot 70ºC ) werktemperatuur voldoet.

    Dan volgen er één, twee of drie letters als toevoegsel, die binnen de TTL-familie aangeven welke TTL-logica vorm is toegepast.

    Het toevoegsel 'ALS' staat vogens eerder genoemde opsomming bijvoorbeeld voor 'Advanced Low power Schottky'.

    Daarna volgen twee of drie cijfers welke aangeven wat voor een logische functie het IC heeft, via de datasheet of een data-boek(van de fabrikant) is deze functie te achterhalen.

    Er zijn honderden van zulke logische functies, maar als dit getal hetzelfde is dan kan men er nagenoeg zeker van zijn dat de functie en de toewijzing van elk van de pennen van zo'n IC gelijk is aan die van een ander TTL-IC met hetzelfde functienummer, ongeacht de vorm van TTL-logica of fabrikant.

    Voorbeeld: het SN74ALS00A IC, is qua logica en penbezetting exact aan het IC met de codering: DM74ALS00A
    De verschillen zitten in de fabrikant en soms de uitvoering van de behuizing.
    Klik hier voor de datasheet van de SN74ALS00A.
    Klik hier voor de datasheet van de DM74ALS00A.

    Bekijk beide bovengenoemde datasheet, en probeer een verschil te vinden, goed intepreteren van een datasheet is erg belangrijk.

    Een voorbeeld: neem een IC met als opdruk SN74ALS245. Hieruit kunnen we het volgende afleiden:
  • Dit is een IC gemaakt door Texas Instruments.
  • het is een niet militair maar comerciëel IC.
  • opgebouwd middels low-power-schottky-technologie.
  • en ten slotte is het een Octal bus Transcievers with 3-state outputs.

  • Bovenstaande verkaringen van de codering van het IC, kunt u uit een datasheet vanaf het internet halen of uit een DATA-boek van de fabrikant.

    Als laatste kan een fabrikant via één of meerdere lettters nog een specifieke behuizing aangeven. Raadpleeg hiervoor de datasheet van de fabrikant en bekijk dan welke verschillende behuizingen leverbaar zijn en welke letter(s) als achtervoegsels worden gebruikt.

    OPMERKING: de uitvoering van de behuizing, kan in sommige situaties van groot belang zijn.


    CMOS Logica

    CD4011BE.png
    Hierboven ziet u een CD4011BE IC (herkenbaar aan de opgedrukte CD4011BE codering). De 14AMS15 E4 opdruk is een productie-nummer van de fabrikant.

    vanwege de in het deel hierboven aangegeven nadelen van de LS-TTL-familie is een ander soort logica ontwikkeld, die deze voedings- en warmteproblemen niet had.

    Deze technologie gebruikt geen bipolaire transistoren, maar veldeffecttransistoren(FET's), en wel in paren van altijd één of meer N-MOS FET's gecomplementeerd door één of meer P-MOS FET's.

    Daarom wordt deze technologie Complementary Metal Oxide Semiconductor logic, in de volksmond CMOS genoemd.

    Omdat hierbij altijd slechts één van de twee soorten FET's zich in geleidende toestand bevindt (en de PMOS- en NMOS-FET's steeds in serie staan tussen de voedingspanning en het 0-volt-niveau, aarde) loopt er geen stroom tussen de voedingsspanning en aarde.
    Dit in tegenstelling tot TTL waarbij altijd een kleine ruststroom loopt.

    Bovendien gebruiken de (FET-)ingangen van deze vorm van logica geen stroom, terwijl bij TTL-logica dit wél nodig is.

    Daardoor gebruikt CMOS in de praktijk alleen een heel klein beetje stroom (om interne parasitaire condensatoren te laden en te ontladen) als een poort van logisch niveau moet veranderen.

    Deze uitvoering van logica is bekend onder de afkorting CD4K-logica (in de praktijk vaak aangeduid als de 4000-serie logica).
    De opzet van de 4000-serie logica is qua opzet geheel incompatibel gemaakt met de TTL-logica.
    .
    Ter verduidelijking van het voorgaande, een voorbeeld: Eén van de meest toegepaste TTL-IC's is de 74LS00 (dat deze versie populair zou worden was de ontwerpers blijkbaar van tevoren al duidelijk want het is ook gelijk het eerste IC uit de reeks).
    Dit IC bevat vier zogenaamde NAND-poorten. Nu zou je misschien verwachten dat een soortgelijk IC uit de CMOS-reeks als aanduiding CD4000 zou dragen, en dat je dit IC in plaats van een SN7400 kan gebruiken maar dat is niet het geval.

    Een IC met vier NAND-poorten bestaat ook in de CMOS-familie, maar het heeft als aanduiding CD4011 en erger nog: het heeft alle in- en uitgangen van de vier poorten op andere pinnen van het IC zitten.

    Er is zelfs geen enkele relatie tussen het nummeringsschema van de CMOS- en de TTL-familie.
    Dit maakte het volledig onmogelijk om CMOS als vervanging voor TTL te gebruiken. Printplaten ontworpen voor TTL moeten dus volledig herontworpen worden als men op CMOS wil overgaan.

    Het verlagen van de voedingsspanning.

    Een ander belangrijk voordeel van CMOS ten opzichte van TTL schuilt in het feit dat het kan werken met een veel breder bereik van zijn voedingsspanning.
    Terwijl TTL dus per se een voedingsspanning van 5 Volt (met een marge van + 0 tot 0,5 Volt) vereist kan CMOS werken met een veel hogere of lagere voedingsspanning, die zelfs mag variëren.

    Dat maakt het werken op batterijen een stuk eenvoudiger.

    Ook de met N-MOS en P-MOS werkende VLSI-logica, zoals gebruikt door bijvoorbeeld geheugenchips en microprocessoren, gebruiken dit voordeel.

    Omdat de energiedissipatie van CMOS (en dus ook N-MOS/P-MOS) direct afhankelijk is van het aantal schakelingen per seconde en de markt vereiste dat microprocessoren steeds sneller moeten worden, word het steeds belangrijker om met lagere voedingsspanningen te gaan werken
    (vooral omdat het energieverbruik stijgt met het kwadraat van de voedingsspanning, of omgekeerd het halveren van de voedingsspanning leidt tot het dalen van het energieverbruik tot één kwart van het originele verbruik).

    Door het verlagen van de voedingsspanning van 5 Volt naar slechts 3,3 Volt kan men het steeds stijgen van het energieverbruik met zestig procent verlagen.
    Nieuwere CPU's verlagen de spanning voor hun interne logica zelfs nog verder, vaak tot 1,8 Volt.

    HC-logica.

    Door de incompatibiliteit van de CD4000-serie ontstond er een grote vraag naar een logicafamilie die wél met die van TTL compatibel was.
    Daarom ontstond de 74HC-serie, die de nummering en de pin-layout van de TTL-familie combineerde met de voordelen van CMOS.
    Deze kan direct werken in een op TTL-gebaseerd ontwerp, met 55 Volt-voeding, maar is ook compatibel met logica die met 3,3 Volt gevoed werd.

    Probleem met het Logische Niveau.

    Met behulp van de 74HC-serie kunnen op CMOS gebaseerde IC's gecombineerd worden met op TTL gebaseerde IC's.

    Deze twee types-logica combineren is niet zonder problemen: CMOS IC's herkennen, inherent aan hun structuur, andere elektrische spanningen als een logische 0 en logische 1 dan TTL-IC's.

    TTL heeft een spanning kleiner dan circa 0,8 Volt nodig om betrouwbaar een logisch laag signaal (een 0) te herkennen. Om betrouwbaar een logisch hoog signaal (een 1) te herkennen, heeft TTL meer dan 2,0 Volt nodig.
    Alles tussen 0,8 Volt en 2,0 Volt is dus "verboden" bij TTL.

    CMOS kan werken met ongeveer de helft van de voedingsspanning als grens, bijvoorbeeld 2,5 Volt als grens bij een 5 Volt-voedingsspanning.
    In de praktijk herkent CMOS alles onder de 1,5 Volt als '0' (logisch laag) en alles boven de 3,5 Volt als '1' (logisch hoog).

    Een gewoon TTL-IC zet vaak niet meer dan 2,4 Volt op een uitgang (voor een '1').
    Dit kan een probleem zijn: als er wordt geprobeerd om op 5 Volt draaiende CMOS-logica middels een TTL-uitgang aan te sturen, dan kan het gebeuren dat de uitgangsspanning van het TTL-IC niet in staat is om een afdoende spanning te bereiken waardoor de aangestuurde CMOS-logica dit niet betrouwbaar als een logisch hoog signaal ('11' kan 'zien'.

    De communicatie loopt dan dus mis.

    Dit probleem is door de ontwikkeling van de 74HCT-logicafamilie opgelost.

    Alhoewel in CMOS uitgevoerd, gebruikt de 74HT-familie tóch TTL-signaalniveaus voor de ingangen. Deze IC's zijn ontworpen om met een 5 Volt-voeding te werken.

    De 74HT74-familie is een perfecte vervanger voor TTL-logica, alhoewel ze wel iets langzamer zijn (zelfs langzamer dan de originele TTL).

    HC-logica heeft daarentegen een snelheid die vergelijkbaar is met die van TTL.

    LET OP: in tegenstelling tot de standaard TTL-logica, mogen bij CMOS ongebruikte ingangen niet blijven "zweven". In de datasheet van het Integrated Circuit, kan worden aangegeven Wat te doen met ongebruikte ingangen. Indien de datasheet hier niets over zegt moeten ongebruikte ingangen van één of meerdere poorten in een CMOS integrated circuit, via een "pull-up" weerstand worden verbonden met de positieve of negatieve voedingsspanning.
    Over het algemeen is de waarde van 10 Kohm als "pull-up" weerstand bij CMOS-poorten een goede waarde.

    Verbeterde versies.


    Met HC- en HCT-logica als concurrent voor LS-TTL-logica werd het duidelijk dat verdere verbeteringen nodig waren om tot een ideale vorm van logica te komen.
    Eentje die de hoge snelheid van LS-TTL combineert met het lage energieverbruik van CMOS, en die compatibel is met odere logicafamilies en met 3,3 Volt-logica.

    Een hele reeks deelnemers aan deze wedstrijd, met een scala aan fabrikanten ieder met hun eigen technologie, verscheen op de markt.

    Hieronder een lijst van de belangrijkste nieuwere CMOS-logica families en enige kenmerken:

  • AC - Advanced CMOS presteerd gelijkwaardig aan de TTL-S- en TTL-F-series.
  • ACQ – Advanced CMOS, met stille uitgangen.
  • AHC – Advanced high-speed CMOS, drie keer sneller als HC, tolerante omgang met 5,5 Volt op de ingang.
  • ALVC – Low-voltage 1,8 - 3,3 Volt, tijd signaalvertraging (TPD) < 3 nanoSeconde bij 3,3 Volt.
  • ALVT – Low-voltage 2,5 – 3,3 Volt, 5 Volt tolerante ingangen, hoge stroom = 64 milliAmpére.
  • AUC – Low-voltage 0,8 – 2,5 Volt.
  • AUP – Low-voltage 0,8 – 3,6 Volt (3,3 Volt normaal), gedeeltelijk stroom-verlagend gespecificeerd(IOFF), beveiligde ingangen.
  • AVC – Low-voltage 1,8 – 3,3 Volt, TPD < 3,2 nanoSeconde bij 1,8 Volt, vasthouden laatste bus-status, IOFF.
  • FC – Fast CMOS, gelijkwaardige prestaties als TTL-F logica.
  • LCX – CMOS met 3 Volt voeding en 5 Volt tolerante ingangen.
  • LV – Low-voltage CMOS 2,0 - 5,5 Volt en 5 Volt tolerante ingangen.
  • LVC – Low voltage 1,65 – 3,3 Volt en 5 Volt tolerante ingangen, TPD < 5.5 nanoSeconde bij 3,3 Volt, TPD < 9 nanoSeconde bij 2,5 Volt.
  • V-A – Low-voltage 2,5 – 5 Volt, 5 Volt tolerante ingangen, TPD < 10 nanoSeconde bij 3,3 Volt, vasthouden laatste bus-status, IOFF, lage ruis.
  • LVT – Low-voltage 3,3 Volt, 5 Volt tolerante ingangen, hoge uitgang stroom < 64 milliAmpére, TPD < 3.5 nanoSeconde bij 3,3 Volt, IOFF, lage ruis.
  • LVQ – Low-voltage 3,3 Volt.
  • LVX – Low-voltage 3,3 Volt met 5 Volt tolerante ingangen.
  • VHC – Very-high-speed CMOS gelijkwaardig aan de TTL-S uitvoering maar dan in CMOS technology and energieverbruik.

  • Veel uitvoeringen in de CMOS HC, AC en FC-families worden aangeboden in de T-versie. Zoals daar zijn HCT, ACT, en FCT
    Deze uitvoeringen welke ingang drempels hebben die compatible zijn met zowel TTL en 3,3 Volt CMOS signalen. De uitvoeringen zonder T
    hebben conventionelel CMOS ingang drempels.

    Wijze van Codering bij CMOS welke op de behuizing gestempeld wordt.

    Deze logica-familie gebruikt normaal gesproken voor de basis-uitvoering de volgende benamingsconventie:
    Als eerste(geheel links in de codering) twee- of drieletterig voorvoegsel welke de fabrikant van het IC identificeert.

    Daarna volgen vier cijfers welke aangeven wat voor een logische functie het IC heeft, via de datasheet of een data-boek(van de fabrikant) is deze functie te achterhalen.

    Er zijn honderden van zulke logische functies, maar als dit getal hetzelfde is dan kan men er nagenoeg zeker van zijn dat de functie en de toewijzing van elk van de pennen van zo'n IC gelijk is aan die van een ander CMOS-IC met hetzelfde functienummer, ongeacht de fabrikant.

    Voorbeeld: het CD4013B IC, is qua logica en pinbezetting exact aan het IC met de codering: HEF4013B
    De verschillen zitten in de fabrikant en soms de uitvoering van de behuizing.
    Klik hier voor de datasheet van de CD4013B.
    Klik hier voor de datasheet van de HEF4013B.

    Bekijk beide bovengenoemde datasheet, en probeer een verschil te vinden, goed intepreteren van een datasheet is erg belangrijk.

    Een voorbeeld: neem een IC met als opdruk HEF4013B. Hieruit kunnen we het volgende afleiden:
  • HEF geeft aan dat het IC gemaakt is door NXP.
  • 4013het is een Dual D-type flipflop betreft, opgebouwd met CMOS-logica.
  • B geeft het type behuizing type aan.


  • BiCMOS Logica

    SN74ABT16240A.png
    Klik hier voor de datasheet van bovenstaand BiCMOS-IC.

    Een van de belangrijkste recente verbeteringen aan logische IC's was om CMOS-ingangen te combineren met TTL-uitgangen.
    Deze combinatie resulteerde in een nieuwe vorm van logica die BiCMOS-logica, genoemd wordt en waarvan de LVT- en de ALVT-logica families de meest belangrijke zijn.

    Maar ook de BiCMOS-familie heeft veel leden, de huidige lijst bevat onder meer ABT-logica.
    ABT is Advances BiCMOS met Ttl-compatible ingang

    omdat het merendeel van de electronica-hobbyïsten niet of weinig te maken krijgt met BiCMOS besteden wij er hier verder geen aandacht aan. Wenst u nadere informatie, een zoekopdracht naar BiCMOS-logica zal u niet teleurstellen.

    Laatste update : 17 augustus 2016

    Terug naar Geïntegreerde schakelingen informatie
    Terug naar Startpagina
    Email aan Finimuis.nl