Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Hinweise zur Anwendung von C-MOS-Schaltungen
Integrierte Complementär-MOS-Schaltungen lassen sich für zahlreiche Aufgaben in der Digitaltechnik einsetzen. Gegenüber den weit verbreiteten TTL-Schaltungen ergeben sich neben einigen Nachteilen entscheidende Vorteile. Beim Schaltungsentwurf müssen die besonderen Eigenschaften der MOS-IS berücksichtigt werden. Nachfolgend werden die Betriebs- und Handhabungsbedingungen erläutert, ohne jedoch auf die MOS-Technologie näher einzugehen, die für den Anwender von untergeordneter Bedeutung ist.
1. Bezeichnungen und Austauschbarkeit
C-MOS-Schaltungen werden von verschiedenen Herstellern angeboten. Es stehen jeweils zahlreiche Standardschaltungen für logische Grundverknüpfungen zur Verfügung, ferner aber auch hochintegrierte Systeme, in denen komplexe Schaltungen realisiert sind.
Die Standardschaltungen der verschiedenen Hersteller sind in fast allen Fällen untereinander austauschbar. Eine integrierte Schaltung mit vier Nand-Gattern heißt beispielsweise bei RCA CD4011, bei HARRIS HD-4011, bei Valvo HEF4011, bei Motorola MC14011. Weitere, angehängte Buchstaben oder Buchstabengruppen geben Aufschluß über Arbeitstemperaturbereich, Gehäuseform und Versorgungsspannungsbereich. Für Amateuranwendungen genügen die preisgünstigen Ausführungen mit Dual-in-line Plastikgehäusen, deren Betriebstemperatur zwischen 233 und 358 Kelvin liegen darf (-40°C und + 85°C).
Die Schaltungen der 74C... Serie stellen funktions- und anschlußkompatible Bausteine zu den gleichbezifferten TTL-Schaltungen dar. Ein Austausch gegeneinander (z.B. um die Stromaufnahme zu verringern) ist jedoch nur in wenigen Fällen möglich. Die Beschränkungen der Grenzfrequenz müssen, wie später erläutert wird, berücksichtigt werden, ebenso die unterschiedlichen Ein- und Ausgangs-Lastfaktoren.
2. SPANNUNGSVERSORGUNG UND LOGISCHE PEGEL
MOS-Schaltungen arbeiten in einem weiten Betriebsspannungsbereich. Er reicht von +3 V bis +15 V, für Schaltungen im Keramikgehäuse wegen der besseren Wärmeabfuhr sogar bis +18 V. Dieser weite Bereich erlaubt es oft, eine im Gerät bereits vorhandene Spannungsquelle mitzubenutzen; wogegen es bei TTL-Schaltungen nötig ist, eine stabilisierte Spannung von +5 V bereitzustellen. Da bei den MOS-Schaltungen eine Stabilisierung der Betriebsspannung in der Regel nicht notwendig ist, fällt auch keine durch die Stabilisierung bedingte Verlustwärme an.
Der weite mögliche Betriebsspannungsbereich bringt es mit sich, daß die Spannungspegel für die logischen Zustände "0" und "L" beziehungsweise "low" und "high" keine festen Grenzwerte haben, sondern stets auf die gewählte Betriebsspannung bezogen sind. Die untere Schaltgrenze liegt bei etwa 30 % der Versorgungsspannung, die obere bei etwa 70 %. Beide Grenzen sind wenig abhängig von Temperatureinflüssen. Bei einer Betriebsspannung von beispielsweise 10V entsprechen demnach Spannungen bis etwa +3 V dem Zustand "low", über etwa +7 V dagegen dem Zustand "high" Der Zwischenbereich von +3 bis +7 V ist nicht eindeutig definiert.
Die extreme Hochohmigkeit der MOS-IS hat eine geringe Stromaufnahme der Schaltungen zur Folge. Hierin ist einer der Hauptvorteile dieser Bausteinfamilie zu sehen. Der Eingangswiderstand der Schaltungen hat einen typischen Wert von 1012 Ω. Der bereits erwähnte Baustein mit vier Nand-Gattern hat bei +5 V Betriebsspannung eine Ruheleistungsaufnahme von 2,5 × 10-9 W. Im Schaltbetrieb erhöht sich die Leistungsaufnahme fast linear mit der Frequenz. Bei 100 kHz Schaltfrequenz und 15 V Betriebsspannung beträgt die Verlustleistung eines Gatters 1 mW.
3. Beschaltung von MOS-IS
3.1. Eingangsbeschaltung
Bedingt durch die erwähnten hohen Eingangswiderstände sind die erforderlichen Steuerleistungen der Schaltungen sehr gering. Wichtig für eine einwandfreie Funktion ist, daß ein genügend großer Spannungshub zur Verfügung steht Soll ein Eingang auf "low"-Pegel gebracht werden, so kann der entsprechende Anschluß mit dem 0-V-Potential (Masse) verbunden werden. Wird "high"-Pegel gewünscht, so ist der Eingang mit der positiven Betriebsspannung zu verbinden.
Eingangsspannungen dürfen den Wert der gewählten Betriebsspannung annehmen, jedoch nicht überschreiten. Wird also eine Versorgungsspannung von 5 V benutzt, so darf der Eingangspegel diesen Wert nicht überschreiten, obwohl ja eine Betriebsspannung von maximal 15V zulässig ist. Unterer zulässiger Eingangsspannungswert ist -0,5 V. Negative Eingangsspannungen können durch Unterschwingen auftreten, wenn unzulässig lange Zuleitungen (Induktivität) vorhanden sind.
Es ist unbedingt zu beachten, daß alle Eingänge eines Bausteins beschaltet werden, da andernfalls undefinierte Zustände auftreten können und die einwandfreie Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Hier ist ein deutlicher Unterschied zu TTL-Schaltungen gegeben, bei denen unbeschaltete Eingänge durch interne "Pull-up"-Widerstände automatisch an "high"-Pegel liegen.
Die Eingangstransistoren der MOS-Schaltungen sind wegen der extrem hohen Eingangswiderstände empfindlich gegen hohe Spannungen, wie sie leicht durch statische Aufladung entstehen können. Alle MOS-IS werden daher in Verpackungen geliefert, die eine leitende Verbindung aller Anschlüsse untereinander sicherstellen. Häufig wird leitfähiges (schwarzes) Schaummaterial verwendet.
MOS-Schaltungen enthalten integrierte Widerstands-Dioden-Strukturen, die weitgehende Sicherheit gegenüber zu hohen Eingangsspannungen bewirken. Trotzdem sollten die Anschlüsse der IS beim Einsetzen in Fassungen - was empfehlenswert ist - nicht berührt werden. Es wurden schon statische Spannungen im Bereich vom 4 bis 15 kV gemessen, hervorgerufen von Personen, die auf Kunststoffböden umhergingen!
Falls MOS-Schaltungen auf Steckkarten montiert werden und die Möglichkeit besteht, daß beim Auswechseln die Eingänge nicht abgeschlossen sind, während die Betriebsspannung eingeschaltet ist, sollten die Eingänge durch Shunt-Widerstände an die positive oder negative Betriebsspannung gelegt werden.
3.2. Ausgangsbeschaltung
Die Verlustleistung einer MOS-Schaltung sollte 200 mW nicht überschreiten; es dürfen daher nicht beliebig niederohmige Lasten angeschlossen werden. Ein Kurzschließen von Ausgängen zur positiven oder negativen Versorgungsspannung kann eine unzulässig hohe Leistungsaufnahme und dadurch thermische Zerstörung zur Folge haben. Kapazitive Lasten dürfen nicht größer als 5 nF werden, da andernfalls zu hohe Ladeströme auftreten können. Ein- und Ausgänge von Gattern dürfen nur dann parallelgeschaltet werden (z.B. um höhere Ausgangsströme zu ermöglichen), wenn sich die Gatter in der gleichen IS befinden. Das Fan-out (Ausgangsfächer) von 50 der MOS-Schaltungen bedeutet, daß die Ausgangsleistung ausreicht, um bis zu 50 Standardgatter gleichzeitig anzusteuern. Jedoch muß beachtet werden, daß nicht alle MOS-Eingänge ein Fan-in von 1 aufweisen. Gelegentlich findet man Schaltungen mit einem Fan-in von 2 (oder höher). In diesem Fall könnten dann 25 (oder weniger) Schaltungen gleichzeitig von einer MOS-IS gesteuert werden. Aufschluß über Eingangs- und Ausgangs-Lastfaktoren geben die Datenblätter.
4. Dynamische Eigenschaften
MOS-Schaltungen können nur niedrige Frequenzen verarbeiten. Dies ist ein deutlicher Nachteil gegenüber TTL-Schaltungen. Die oberen Grenzfrequenzen sind betriebsspannungsabhängig. Mit steigender Versorgungsspannung steigt auch die Grenzfrequenz. In der Regel werden typische obere Taktfrequenzen von 5 MHz bei 10 V Betriebsspannung angegeben. Bei 5 V liegt der typische Grenzwert dann bei 2,5 MHz. Als Garantiewerte geben die Hersteller meist 1 beziehungsweise 3 MHz an. Die Maximalfrequenzen können nur dann verarbeitet werden, wenn die entsprechend dem Datenblatt geforderten kurzen Anstiegszeiten der Eingangssignale eingehalten werden.
5. Pegelkonverter
In der Praxis kommt es häufig vor, daß MOS-Schaltungen mit anderen Bausteinen kombiniert werden, um für jeden Schaltungsteil optimale Bauelemente zu verwenden. Es ist daher erforderlich, Anpaßstufen zwischen den verschiedenen Teilen einzufügen.
5.1. TTL → MOS
Wenn MOS-Schaltungen von TTL-IS gesteuert werden sollen, und der Sonderfall vorliegt, daß die MOS-Schaltungen mit der 5-V-Versorgungsspannung der TTL-Bausteine betrieben werden, so wird ein Widerstand vom TTL-Ausgang zur positiven Versorgungsspannung entsprechend Bild 1 geschaltet. Tabelle 1 gibt Auskunft über geeignete Widerstandswerte.
Bild 1: Pegelkonverter von TTL auf MOS
| TTL-typ | 74 | 74H | 74L | 74LS | 74S |
|---|---|---|---|---|---|
| Rx min Ω | 390 | 270 | 1k5 | 820 | 270 |
| Rx max Ω | 4k7 | 4k7 | 27k | 12k | 4k7 |
Werden für die MOS-Schaltungen Betriebsspannungen zwischen 5 und 15 V gewählt, so wird der Widerstand Rx mit der höheren Versorgungsspannung verbunden und sein Wert den Schaltungsgegebenheiten individuell angepaßt.
5.2. MOS → TTL
Da gewöhnliche MOS-Schaltungen nicht in der Lage sind, die erforderlichen Steuerleistungen für TTL-Eingänge aufzubringen, werden besondere Treiber-IS (z.B. CD 4049 oder CD 4009) benutzt. Es können hierbei auch unterschiedliche Versorgungsspannungen zur Anwendung kommen.
5.3. Industrielle Steuerungen → MOS
Eine Interface-Schaltung zwischen industriellen Steuerungen und MOS-Logik zeigt Bild 2.
Bild 2: Pegelkonverter vom 24-V-System auf MOS
5.4. MOS → Industrielle Steuerung
Eine Übergangsschaltung vom MOS-Pegel zum 24-V-System zeigt Bild 3.
Bild 3: Pegelkonverter von MOS auf das 24-V-System
5.5. MOS (bei 12 V) → ECL (Serie 10 000)
Bild 4 zeigt eine Übergangsschaltung von MOS-Logik zur ECL-Schaltung.
Bild 4: Pegelkonverter von MOS- auf ECL-Schaltungen
5.6. ECL → MOS
Falls MOS-Schaltungen von ECL-Schaltungen gesteuert werden sollen, benötigt man aufwendige Pegelkonverter. Geeignet ist zum Beispiel die integrierte Schaltung MC 10 125.
5.7. MOS → Bipolarer Transistor
Die niedrigen Eingangswiderstände bipolarer Transistoren würden bei direkter Verbindung mit MOS-Ausgängen diese zu stark belasten. Es werden daher Schutzwiderstände (Richtwert 4,7 kΩ bis 22 kΩ) zur Basisstrombegrenzung eingefügt. Um die erforderlichen Kollektor-ströme sicher zu erreichen, benutzt man Transistoren mit hoher Stromverstärkung, eventuell sogar Darlington-Schaltungen.
Bild 5 zeigt als Anwendungsbeispiel die Steuerung einer Lumineszenzdiode. Dabei ist:
Bild 5: Ansteuerung einer Leuchtdiode aus einem MOS-Baustein
Weitere Beispiele und Berechnungsgrundlagen für Interface-Schaltungen enthalten die Datenbücher der Halbleiter-Hersteller.
6. Betriebserfahrungen mit MOS-Schaltungen
Bei Arbeiten des Verfassers hat sich gezeigt, daß MOS-Schaltungen im Bereich niedriger Frequenzen oft bessere Ergebnisse liefern als beispielsweise TTL-Schaltungen. Besonders hervorzuheben ist die geringe Störanfälligkeit. Die Spannungsversorgung ist unkritisch. Es müssen kaum Stützkondensatoren zur Verringerung des dynamischen Innenwiderstandes der Spannungsquelle eingesetzt werden. Auch treten bei Umschaltvorgängen Stromspitzen in viel geringerem Maße auf als bei TTL-IS. Dementsprechend gering sind auch die durch die Ströme hervorgerufenen elektrischen und magnetischen Verkopplungen mit anderen Schaltungsteilen, was im Zusammenhang mit Hochfrequenzschaltungen ein wichtiger Gesichtspunkt ist.
Wenig erfreulich ist die Tatsache, daß die als typische Grenzfrequenz angegebenen Werte anscheinend nicht oft erreicht werden. Während TTL-Schaltungen häufig deutlich höhere Frequenzen verarbeiten als angegeben, zeigte sich zum Beispiel bei drei programmierbaren MOS-Frequenzteilern eines führenden Herstellers, daß kein Exemplar die als typisch angegebene Grenzfrequenz von 5 MHz verarbeiten konnte. Die tatsächlichen Frequenzen lagen bei 3,5 MHz, 3,6 MHz und 3,75 MHz.
Die integrierten Widerstands-Dioden-Netzwerke der MOS-IS sind offenbar sehr wirksam. Bisher wurden beim Verfasser keine Schaltungen durch statische Spannungen zerstört, obwohl in dieser Hinsicht keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen getroffen wurden.
7. Literatur
- Ohne Verfasserangabe: COS/MOS Today Druckschrift der Firma RCA, 1975
- Ohne Verfasserangabe: Semiconductor Data Library, Vol. 5 McMOS Integrated Circuits, Druckschrift der Fa. Motorola
- Ohne Verfasserangabe: CMOS Data Book Druckschrift der Fa. Harris Semiconductor Corp.
DC1QW, Günter Heeke.