NAND-Gatter

Ein NAND-Gatter ist eine digitale Logikschaltung, die ein niedriges Signal (Logik 0) nur dann ausgibt, wenn alle seine Eingänge gleichzeitig hoch sind (Logik 1). Bei jeder anderen Eingangskombination geht der Ausgang hoch. Der Name leitet sich direkt von seiner Funktion ab: es führt die NOT-Operation einer AND-Operation aus. Bei zwei Eingängen erzeugt ein NAND-Gatter einen niedrigen Ausgang nur, wenn beide Eingänge hoch sind; bei drei Eingängen nur, wenn alle drei hoch sind; und so weiter.

NAND-Gatter bilden das Fundament der Digitalonik, weil sie funktional vollständig sind. Mit nur NAND-Gattern können Sie jedes andere Logikgatter, Flip-Flop, Addierer, Multiplexer oder Prozessorschaltkreis aufbauen. Das macht NAND-Gatter für Chip-Designer äußerst wertvoll, die die Fertigung auf einen einzigen Gattertyp standardisieren können und dennoch jede erforderliche Logikfunktion realisieren. Die meisten modernen Mikroprozessoren und Speicherbausteine basieren auf Millionen oder Milliarden NAND-Gattern als grundlegenden Bauelementen.

Die physikalische Umsetzung variiert je nach Technologie. Bei der Bipolartransistor-Logik (TTL) nutzt ein NAND-Gatter Transistoren in einer speziellen Konfiguration, um das erforderliche Spannungsverhalten zu erreichen. In der CMOS-Technologie, die moderne Chips dominiert, verwenden NAND-Gatter komplementäre Paare von Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren, um den Stromverbrauch zu minimieren. Ein zweieingangiges CMOS-NAND-Gatter enthält typischerweise vier Transistoren: zwei p-Kanal-Bauelemente in Serie zur Versorgungsspannung und zwei n-Kanal-Bauelemente parallel zur Masse.

Leistung und praktische Anwendung

Die Ausbreitungsverzögerung, also die Zeit zwischen Eingangswechsel und Ausgangswechsel, liegt typischerweise zwischen einigen Nanosekunden bei modernem CMOS und zehn Nanosekunden bei älterem TTL. Der Stromverbrauch pro Gatter in CMOS ist im Ruhezustand vernachlässigbar, steigt aber mit der Schaltfrequenz. Bei der Schaltungsgestaltung müssen Ingenieure die Fan-Out (wie viele Gatter ein einzelner Ausgang ansteuern kann) und die Fan-In (die Anzahl der Eingänge, die ein Gatter akzeptieren kann) berücksichtigen, da beide die Schaltungsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit beeinflussen.

NAND-Gatter gibt es in diskreter Form als integrierte Schaltkreise, am häufigsten das 7400 Quad-NAND-Gatter in TTL und das 4011 in CMOS, beide mit vier unabhängigen Zweieinganggattern in einem 14-poligen Gehäuse. Bastler und Techniker nutzen diese für einfache Logikschaltungen und Prototypenbau. In Produktions-Silizium verschmelzen NAND-Gatter nahtlos in größere Funktionsblöcke, ihre einzelne Identität ist für den Benutzer unsichtbar, aber ihre Logikoperationen laufen immer noch in ihrem Kern ab.