NOT-Gatter

Ein NOT-Gatter ist ein Logikschaltkreis mit einem Eingang, der das Gegenteil des empfangenen Signals ausgibt. Wenn der Eingang hoch ist (üblicherweise 5V oder 3,3V je nach Logikfamilie), geht der Ausgang nach niedrig (0V oder Masse). Wenn der Eingang niedrig ist, geht der Ausgang hoch. Dies macht es zum grundlegenden Baustein für Signalinversion in der gesamten Digitaltechnik, von einfachen Steuerschaltungen bis zu den komplexesten Prozessoren.

Das NOT-Gatter wird auch Inverter genannt und ist das einzige grundlegende Logikgatter mit nur einem Eingang. In der Booleschen Algebra stellt es die Komplementoperation dar, geschrieben als Strich über der Variablen oder manchmal als NOT(A) oder A'. Die Wahrheitstabelle ist trivial: Eingang 0 ergibt Ausgang 1, und Eingang 1 ergibt Ausgang 0. Trotz seiner Einfachheit kann kein digitales System ohne Inversion an irgendeiner Stelle seines Entwurfs funktionieren.

Physikalische Formen und Realisierung

NOT-Gatter gibt es in mehreren physikalischen Ausführungen. In TTL-Schaltkreisen (Transistor-Transistor-Logik) enthält der klassische 7404-Chip sechs NOT-Gatter in einem einzelnen 14-poligen DIP-Gehäuse. CMOS-Versionen wie der 4069 sind stromsparend und arbeiten über einen breiten Spannungsbereich. Programmierbare Logikbausteine, FPGAs und Microcontroller enthalten alle NOT-Funktionen als primitive Operationen. Auf Transistorebene ist ein NOT-Gatter einfach ein invertierender Verstärker, oft ein einzelner NPN- oder CMOS-Transistor mit entsprechender Vorspannung und Last-Widerstand.

Die Verzögerungszeit (Propagation Delay), die Zeit zwischen Eingangsänderung und Ausgangsänderung, ist eine kritische Spezifikation. Bei schnellen TTL-Gattern liegt dies bei etwa 10 Nanosekunden; bei CMOS variiert es mit der Versorgungsspannung, liegt aber typischerweise bei 50 bis 100 Nanosekunden bei 5V. Beim Hintereinanderschalten mehrerer Gatter in Hochgeschwindigkeitsschaltungen addieren sich diese Verzögerungen und können die maximale Taktfrequenz bestimmen. Fan-out, die Anzahl der Gattereingänge, die ein einzelner Ausgang sicher ansteuern kann, spielt ebenfalls eine Rolle; Standard-TTL-Gatter handhaben typischerweise 10 Lasten, während CMOS mehr ansteuern kann, allerdings auf Kosten langsamerer Umschaltung.

NOT-Gatter treten häufig zusammen mit AND-, OR- und XOR-Gattern im Logik-Entwurf auf, nehmen aber eine einzigartige Position ein: Sie sind der einzige Operator, der erforderlich ist, um alle anderen Booleschen Funktionen zu konstruieren. Dies ist der Grund, warum NAND- und NOR-Gatter, die NOT mit AND oder OR kombinieren, in tatsächlichen integrierten Schaltkreisen so verbreitet sind. Inverter erscheinen auch in Signalaufbereitungsschaltungen, Pegelkonvertierung und als Teil von Oszillatorschaltungen. Die Einfachheit, die das NOT-Gatter leicht verständlich macht, macht es auch in fast jeder Ecke der Elektrotechnik unentbehrlich.