Ausgangsstufen Logik-ICs

Einleitung

Für die äußere Beschaltung von Logik-ICs ist es wichtig wie die Ausgangsstufen aufgebaut sind. Die verschiedenen Typen zeigen Unterschiede hinsichtlich der Treiberfähigkeit und bei der Frage, ob und wie sie miteinander verbunden werden können. Während man bei der Verwendung von Standard-ICs der 74xx-Reihe darauf angewiesen ist, die gegebenen Ausgangsstufen zu verwenden, kann man sie bei Microcontrollern oder programmierbaren Logikbausteinen meist zur Lauf- oder zur Entwurfszeit umschalten.

Push-Pull

Bei Push-pull (auch Totem-Pole) wird als Ausgangsstufe ein komplementäres Transistorpaar eingesetzt, was der CMOS-Technik entspricht. Es sperrt stets einer der beiden Transistoren, während der andere durchlässig ist. Dies bewirkt, dass die Spannung am Ausgang sehr dicht an die positive oder negative Versorgungsspannung heranreicht. Außerdem bietet diese Schaltung die Möglichkeit, sowohl als Quelle (source current) als auch als Senke (sink current) zu fungieren.

Push-Pull hat einen entscheidenden Nachteil!

Verbindet man zwei Push-pull-Ausgänge, kommt es in der Praxis zur Zerstörung des Ausgangs und schlimmstenfalls des ganzen Chips. Denn sobald der eine Ausgang auf High schaltet und der andere auf Low, fließt ein Strom zwischen der Versorgung und Masse, der nur durch den sehr geringen Widerstand in der Kollector-Emitter-Strecke bzw. Drain-Source-Strecke begrenzt wird. Diese hohen Ströme führen zur Zerstörung der Ausgangstransistoren durch Überhitzung.

Tristate

Um Bussysteme mit mehreren Partnern zu ermöglichen, können Tri-state-Ausgangsstufen eingesetzt werden. Hier ist ein dritter Logikzustand eingeführt: Neben High und Low kann ein Ausgang auch hochohmig geschaltet werden. Dieser dritte Zustand wird meist als High-Z bezeichnet, für high impedance. Ein hochohmig geschalteter Ausgang verhält sich so als wäre er gar nicht vorhanden. Somit kann man viele Tri-state-Ausgänge zusammenschalten. Es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, dass maximal ein Ausgang auf High- oder Low-Pegel liegt, während alle anderen Ausgänge auf High-Z geschaltet sind. Dies sicherzustellen, obliegt dem Bus-Master. Hierzu verfügt jedes der angeschlossenen ICs über eine Chip-enable-Leitung oder Chip-select-Leitung. Vom Bus-Master wird also auschließlich demjenigen IC ein chip enable signalisiert, auf das gerade zugegriffen wird.

Open Collector

Auch mittels Tri-state kann immer nur ein Teilnehmer gleichzeitig auf einen Bus schreiben. Sollen zwei oder mehr ICs gleichzeitig die Möglichkeit bekommen ein Signal auszugeben, wird Open-collector eingesetzt. Hier können theoretisch beliebig viele Ausgänge zusammengeschaltet werden. Bei Open Collector wird nur ein NPN-Ausgangstransistor verwendet, dessen Emitter auf Masse liegt und dessen Collector am Ausgang angeschlossen ist. Es ist also lediglich möglich, den Ausgang auf Masse zu ziehen. Ist der Transistor nicht durchgesteuert, ist der Ausgang hochohmig.

Um in diesem Fall ein definiertes Potential am Ausgang zu haben, wird ein Pull-up-Widerstand zur positiven Betriebsspannung gelegt. Dieser Pull-up-Widerstand kann entweder extern angeschlossen werden oder bereits im IC integriert sein. Mitunter ist es auch möglich, interne Pull-up-Widerstände wahlweise zu aktivieren. Werden mehrere Ausgänge zusammengeschaltet, braucht für gewöhnlich nur an einer Stelle ein Pull-up-Widerstand angeschlossen zu werden.

Der Widerstandswertes des Pull-up-Widerstands darf nicht zu groß gewählt werden, da sonst zusammen mit Eingangs- und parasitären Kapazitäten die Signale verschleifen und im Extremfall nicht mehr korrekt erkannt werden können. Grundsätzlich gilt hierbei, dass je länger der Bus, je mehr angeschlossene Teilnehmer und je höher die Bitrate, der Widerstand umso niedriger gewählt werden muss. Andererseits ist der Wert so groß zu wählen, dass bei durchgesteuertem Transistor der Strom klein genug bleibt, um den Transistor nicht zu beschädigen. In der Praxis wird meist ein Wert von 1 kΩ bis 100 kΩ eingesetzt.

Sind zwei oder mehr Sender am Bus angeschlossen, können sie jeweils die Leitung auf Masse ziehen. Ziehen zwei oder mehr Teilnehmer die Leitung gleichzeitig auf Masse, bleibt sie natürlich ebenfalls auf Masse-Potential. Ein logisches High wird also nur dann erreicht, wenn sämtliche Teilnehmer ihre Ausgänge auf High schalten, sprich den Ausgangstransistor nicht durchschalten. Man kann also sagen, dass ein Low über ein High dominiert. Dieses Verhalten wird als wired-AND bezeichnet (logische UND-Verknüpfung per Verdrahtung). In einer Umgebung wo mehrere Teilnehmer des Busses die Möglichkeit haben auf den Bus zu schreiben, müssen sie also überprüfen, ob bei einem High auch wirklich ein High auf der Leitung anliegt. Wenn nicht, sendet gerade ein anderer Teilnehmer ein dominierendes Low. Dieses Verhalten zeigt sich beispielsweise bei Multi-Master I²C.

Eine weitere Besonderheit von Open Collector-Ausgangsstufen ist, dass sie in der Praxis lediglich als Senken, nicht jedoch als Quellen arbeiten können. Dies liegt am relativ hochohmigen Pull-up-Widerstand. Für typische Werte von 5 V Betriebsspannung und 10 kΩ Pull-up-Widerstand ergibt sich im Quellenbetrieb ein maximaler Strom von 0,5 mA. Dies spielt zwar für Logikschaltungen mit sehr hochohmigen Eingängen keine Rolle, Stromverbraucher wie LEDs kann man hingegen ausschließlich nach Masse schalten.

Schließlich sei noch erwähnt, dass man auch mit Feldeffekt-Transistoren Ausgangsstufen aufbauen kann, die praktisch dasselbe Verhalten zeigen wie solche mit Bipolartransistoren. Korrekterweise spricht man dann von einem Open Drain-Ausgang. Die heute veraltete NMOS-Herstellungstechnik, wie sie beim Original-8051 verwendet wurde, kennt überhaupt nur solche Schalt- und Ausgangsstufen, mit Stromquelle unterschiedlicher Stärke als Pullup. Die I/O-Pins des 8051 wurden speziell auf diese Eigenheit der damaligen Herstellungstechnik optimiert.