Digitale Schaltungstechnik

298 Pages·1995·12.2 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Ralph Weißel

Springer-Lehrbuch
Ralph WeiBel' Franz Schubert
Digitale
Schaltungstechnik
Zweite, vollstandig iiberarbeitete Auflage
mit 247 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
t
Prof. Dr.-Ing. Ralph WeiBel
Prof. Dr.-Ing Franz Schubert
Fachhochschule Hamburg
Fachbereich Elektrotechnik
und Informatik
Berliner Tor 3
20099 Hamburg
ISBN -13: 978-3-540-57012-7 e-ISBN-13: 978-3-642-78387-6
001: 10.1007/978-3-642-78387-6
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Fur Ralph
Vorwort
Die digitale Schaltungstechnik hat sich in den letzten dreiBig Jahren !iuBerst
schnell weiterentwickelt: angefangen bei den ersten digitalen Schaltungen in
Modulbauweise mit diskreten Bauelementen Uber einfache integrierte Schaltkreise
in Bipolartechnik bis hin zu den komplexen Logik-Schaltungen mit
Feldeffekttratisistoren und in Mischtechnologie. Der FI!ichenbedarf und die
Verlustleistung der Schaltungen konnten stetig minimiert werden, wlihrend die
Schaltgeschwindigkeiten gesteigert wurden.
Das vorliegende Buch gibt eine Einfilhrung in die digitale Schaltungstechnik.
Ausgehend von den Kenngrl>Ben der Impulstechnik· (Abschnitt 2) werden im
Abschnitt 3 die bei digitalen Schaltungen Ublichen elektronischen Schalter
beschrieben. Die Abschnitte 4 bis 6 behandeln die Eigenschaften und Entwurfs
methoden fur Schaltkreisfamilien, Kippschaltungen und Speicher. Neben den
klassischen Netzwerkberechnungsmethoden wird auch auf die Schaltungs
simulation mit SPICE eingegangen. 1m Abschnitt 7 erfolgt die Erl!iuterung der
Schaltungsprinzipien fUr die Umsetzung analoger Signale in digitale und umge
kehrt.
Das Buch entstand teilweise aus Skripten zu einer einsemestrigen Vorlesung
"Digitale Schaltungstechnik", die an der Fachhochschule Hamburg gehalten wird.
Es solI sowohl Studenten der Elektrotechnik, der Informatik und der angewandten
Physik als auch Ingenieuren in der Industrie helfen, digitale Schaltungen zu verste
hen und zu entwerfen.
Der Autor bedankt sich bei den Kollegen Prof. Dr.-Ing. Bruno Giesl, Prof. Dr.
Ing. Klaus Kuhn, Prof. Dr.-Ing. Peter Pemards, Prof. Dipl.-Ing. Hans J. Rl>nsberg
und Prof. Dr.-Ing. Ulrich Vogelsang sowie bei Herm Dipl.-Ing. Henning Siemund
fUr viele Anregungen, die ich aus Gespr!ichen und schriftlichen Unterlagen
entnommen habe.
Inhalt und Gliederung haben sich bew!ihrt, deshalb waren fUr die 2. Auflage nur
eine Uberarbeitung und keine wesentlichen Anderungen erforderlich.
Hamburg, im FrUhjahr 1995 Franz Schubert
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .................................................................................................... 1
1.1 Digitale Schaltungen ..................................................................................... 1
1.2 Analoge und digitale Signale ....................................................................... .2
2 Definitionen und Kenngrollen der Impulstechnik ................................... 5
2.1 Formen und KenngroBen von Impulsen ....................................................... 5
2.2 Impulsfunktionen .......................................................................................... 9
2.3 Impulsverhalten pas siver Zweitore ............................................................. 11
2.4 Schalter-Kondensator-Technik ................................................................... 23
3 Elektronische Schalter. ............................................................................. 25
3.1 PN-und Schottky-Dioden. .......................................................................... 25
3.1.1 Statisches Verhalten von Dioden ................................................................ 25
3.1.2 Dynamisches Verhalten von Dioden .......................................................... 30
3.1.3 Schottky-Dioden ......................................................................................... 32
3.2 Diodenschaltungen ..................................................................................... 33
3.3 Der Transistor als Schalter .......................................................................... 34
3.3.1 Strom-und Spannungsschalter .................................................................. .36
3.4 Inverter mit Bipolartransistoren .................................................................. 39
3.4.1 Gesl1ttigte Transistorinverter ...................................................................... .40
3.4.2 Schalten kapazitiver Lasten ....................................................................... .45
3.4.3 Schalten induktiver Lasten. ........................................................................ .49
3.4.4 Gegentaktschalter ....................................................................................... 55
3.4.5 Transistorschaltzeiten ................................................................................. 60
3.4.6 MaBnahmen zur Verringerung von Schaltzeiten ........................................ 64
3.5 MOS-Fe ldeffekttransistoren ....................................................................... 68
3.6 NMOS-und CMOS-Inverter ...................................................................... 81
3.6.1 Statisches Verhalten von MOS-Invertem ................................................... 81
3.6.2 Schaltverhalten von MOS-Invertem ........................................................... 92
3.6.3 Digitale Torschaltungen (Transmission-Gates} .......................................... 98
3.6.4 Getaktete CMOS-Schaltungen .................................................................. l0l
3.7 Charakteristische GroBen .......................................................................... 104
3.7.1 Eingangs-und Ausgangsgro/3en ............................................................... l04
X Inhaltsverzeichnis
3.7.2 Pegelgrenzen, StOrabstlinde und Obertragungskennlinien ........................ l09
3.7.3 Ausgangsstufen ......................................................................................... 110
3.7.4 Verlustleistung, DurchlaufverzOgerungszeit und GOtemaB ...................... .113
4 Digitale Schaltkreisfamilien ................................................................... 116
4.1 Grundschaltungen mit Bipolar-und Feldeffekttransistoren ..................... 116
4.2 Transistor-Transistor-Logik (TTL ) ........................................................... 118
4.2.1 KenngrOBen und Schaltungsberechnung von Standard-TTL-
Schaltungen .............................................................................................. 120
4.2.2 Schaltungen mit Schottky-Transistoren (LS, S, ALS, AS und FAST) ..... 124
4.3 Emittergekoppelte Logik (ECL) ............................................................... 132
4.4 Integrierte Injektionslogik (I2L} ............................................................... 137
4.5 MOS-Logik (NMOS und CMOS) ............................................................ 139
4.5.1 GrOBtintegration ........................................................................................ 150
4.6 BiCMOS-Logik ........................................................................................ 153
4.7 Galliumarsenid-MESFET-Logik .............................................................. 155
5 Kippschaltungen und Speicher .............................................................. 159
5.1 Operationsversttirker als nichtlineares Schaltelement .............................. 161
5.1.1 Funktion und KenngrOBen ................................. ~. ...................................... 161
5 .1.2 Grundschaltungen ..................................................................................... 166
5.2 Pegelgesteuerte Kippschaltungen ............................................................. 169
5.2.1 Komparatoren ........................................................................................... 169
5.2.2 Schmitt-Trigger ........................................................................................ 170
5.3 Astabile Kippschaltungen ......................................................................... 177
5.3.1 Astabile Kippschaltungen mit Schmitt-Trigger ........................................ 177
5.3.2 Astabile Kippschaltungen mit Invertem ................................................... 180
5.4 Monostabile Kippschaltungen ............................................ :. ..................... 189
5.4.1 Monoflops mit NAND-Schaltungen ......................................................... 189
5.4.2 Monoflops mit NOR-Schaltungen ............................................................ 192
5.5 Zeitgeberschaltungen (Timer) ................................................................... 195
5.6 Bistabile Kippschaltungen ........................................................................ 202
5.7 Speicherschaltungen ................................................................................. 204
5.7.1 Statische Speicher ..................................................................................... 204
5.7.2 Dynamische Speicher ............................................................................... 208
6 Interface-Schaltungen ............................................................................ 210
6.1 Pegelumsetzer ........................................................................................... 210
6.2 Leistungsstufen ......................................................................................... 218
6.3 Busschaltungen und Leitungstreiber. ........................................................ 225
6.4 Optokoppler .............................................................................................. 231
7 AnalogIDigital- und DigitaIlAnalog-Umsetzer. ..................................... 236
7.1 Grundlagen der Umsetzung ...................................................................... 236
Inhaltsverzeichnis XI
7.2 Kenngrt)fien von Signalumsetzem ............................................................ 242
7.3 Schaltungen zur analogen Signalaufbereitung und -verarbeitung ............ 247
7.4 Verfahren und Schaltungen der D/A-Umsetzung ..................................... 255
7.4.1 D/A-Umsetzer mit gleichen Widerstanden oder Stromquellen ................ 256
7.4.2 D/A-Umsetzer mit gewichteten Widerst1inden oder Stromquellen ........... 258
7.4.3 D/A-Umsetzer mit Ladungssteuerung (Zahlverfahren) ............................ 263
7.5 Verfahren und Schaltungen der AID-Umsetzung ..................................... 265
7.5.1 Parallelumsetzer ....................................................................................... 265
7.5.2 Kaskaden-A/D-Umsetzer .......................................................................... 268
7.5.3 Serielle AID-Umsetzer ............................................................................. 269
7.5.4 A/D-Umsetzer mit Rampenverfahren ....................................................... 272
8 Anhang .................................................................................................... 276
8.1 Schaltungsberechnungen mit SPICE ........................................................ 276
8.2 Modelldaten fur SPICE ............................................................................. 278
Literatur ............................................................................................................. 281
Sachverzeichnis .................................................................................................. 285
1 Einleitung
1.1 Digitale Schaltungen
In der digitalen Schaltungstechnik werden Methoden zur Analyse und zum
Entwurf von elektronischen Schaltungen behandelt. Diese Schaltungen erzeugen
und verarbeiten digitale Signale oder setzen analoge Signale in digitale Signale urn
oder urngekehrt.
Das logische Verhalten komplexer Schaltungen mit einer schaltalgebraischen
Beschreibung ist in der digitalen Schaltungstechnik von untergeordneter Bedeu
tung.
Das physikalische Verhalten von passiven und aktiven Bauelementen bestimmt
maBgeblich die Eigenschaften digitaler Schaltungen. Die wichtigsten Bauelemente
sind Widerstllnde, Kapazitllten, Induktivitllten, Dioden, Bipolartransistoren, MOS
Feldeffekttransistoren, gesteuerte Quellen und Operationsverstllrker.
Filr die Entwicklung von digitalen Schaltungen ist daher das Zusammenwirken
aller Bauelemente zu berUcksichtigen. Bei integrierten Schaltungen treten durch
die geringen Abstllnde und durch Sperrschichtisolationen parasitllre Effekte auf,
die das Verhalten ebenfalls beeinflussen.
Durch die immer komplexeren Schaltungen mit vielen nichtlinearen Bau
elementen ist die Berechnung mit einfachen Knoten- und Maschenregeln kaum
noch m6glich. Schaltungsanalyseprogramme (z.B. SPICE [1.1]) sind daher eine
wesentliche Hilfe des Entwicklers.
In der Vergangenheit wurden neue Schaltungen zur Erprobung auf
Experimentierplatinen "fliegend" aufgebaut, d.h. gelOtet oder fiber eine Wickel
technik verdrahtet ("Wire Wrapping"). Das Verhalten wurde an der offenen
Schaltung gemessen. Nach einer mehr oder weniger intensiven Fehlersuche und
eventuellen Anderungen der berechneten Bauelementwerte wurden gedruckte oder
integrierte Schaltungen "von Hand" elltworfen.
Diese Methode ist seit Mitte der achtziger Jahre aus KostengrUnden und wegen
des zu hohen Zeitaufwandes nicht mehr haltb ar. Mit der Einfllhrung des
"elektronischen Layouts" wurden Entwicklungsmethoden gesucht, die aus
schlieBlich mit einem Rechnersystem ausgefllhrt werden k6nnen. Layout
Programme filr die Plazierung von Bauelementen und zur Festlegung von
2 1 Einleitung
Verbindungsstrombahnen wurden schnell akzeptiert. Die Schaltungen mit allen
Bauelementen lassen sich bei vielen Systemen schematisch eingeben. Durch die
bequeme Eingabe sind bei komfortablen Systemen die Voraussetzungen flir die
Ausfiihrung einer Schaltungssimulation erflillt. Mit Hilfe eines "elektronischen
Laborplatzes" ("Analog Workbench") Hillt sich die komplette Schaltungs
entwicklung simulieren, so daB ein Experimentieraufbau entfallen kann.
1.2 Analoge und digitale Signale
Eine analoge GroBe kann innerhalb eines betrachteten Bereiches (Intervalles)
unendlich viele Zustande annehmen. Bei analogen Signalen mit der physikalischen
Darstellung z.B. als Strom oder Spannung bilden die Signalparameter analoge
Nachrichten und Daten kontinuierlich abo Analoge Signale sind daher
wertkontinuierlich und zeitkontinuierlich.
Tastet man analoge Signale ab (z.B. mit einer AbtastlHalte-Schaltung), so sind
die Signale weiterhin wertkontinuierlich, aber zeitdiskret.
Digitale GroBen konnen innerhalb eines gegebenen Intervalles nur eine endliche
Anzahl von Zustanden annehmen.
Die Signalparameter von digitalen Signalen stellen Nachrichten oder Daten dar,
die nur aus Zeichen bestehen.
Ein Zeichen ist aus der Sicht der Informationstheorie ein Symbol zur Darstellung
von Informationen aus einer endlichen Menge von defmierten Zeichen
(= Zeichenvorrat).
Nachrichten und Daten stellen kontinuierliche Funktionen oder Zeichen dar zum
Zwecke der Weitergabe bzw. der Informationsverarbeitung.
Digitale Signale sind zeitdiskret. Wegen des endlichen Wertebereiches sind sie
auch wertdiskret. Durch eine Quantisierung lassen sich zeitdiskrete analoge
Signale mit Hilfe der AnalogIDigital-Umsetzung in digitale Signale umformen.
Die wichtigste Gruppe der digitalen Signale sind die binliren Signale, die nur
zwei Zustlinde annehmen konnen. Die Zustiinde werden mit "0" und "1" gekenn
zeichnet. Jeder Zustand ist bestimmten Pegelbereichen zugeordnet. Der Pegel
bereich mit positiveren Spannungswerten heiBt HIGH, der mit den negativeren
Werten LOW. Man spricht auch vom H-Pegel und vom L-Pegel.
Bei einer Zuordnung 0 = Lund 1 = H spricht man von "positiver Logik" und flir
o
= H und 1 = L von "negativer Logik". Die Zuordnung zur positiven Logik ist
heute ublich.
Die erlaubten Pegelbereiche an den Eingangen von TTL- und CMOS-Logik
schaltungen liegen zwischen UIL = 0 V und 0,8 V flir LOW und UIH = 2,0 V und
5,0 V fiir HIGH bei einer Betriebsspannung von Uee = 5,0 V.
Bei dynamischen Schaltungen werden Vorglinge auch durch Flanken ausgelost
("Edge Triggering"). Mit einer Flanke wird der Ubergang von LOW nach HIGH
(= positive Flanke) und von HIGH nach LOW (= negative Flanke) bezeichnet.