Table Of ContentRalph WeiBel- Franz Schubert
Digitale
Schaltungstechnik
Mit 245 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo Hong Kong 1990
Prof. Dr.-Ing. Ralph WeiBel
Prof. Dr.-Ing. Franz Schubert
Fachhochschule Hamburg
Fachbereich Elektrotechnik
Berliner Tor 3
2000 Hamburg 1
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Weisse I, Ralph:
Digitale Schaltungstechnik / Ralph Weissel ; Franz Schubert.-
Berlin; Heidelberg; NewY ork ; London; Paris; Tokyo; Hong Kong: Springer, 1990
ISBN-13: 978-3-540-52418-2 e-ISBN-13: 978-3-642-97247-8
DOl: 10.1 007/978-3-642-97247-8
NE: Schubert, Franz:
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© Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1990
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2068/30201543210 -Gedruckt auf siiurefreiem Papier
Vonvort
Dieses Buch gibt eine EinfUhrung in die digitale Schaltungstechnik. Ausgehend von den
KenngroBen der Impulstechnik ( Abschnitt 2 ), werden die bei digitalen Schaltungen Ublichen
elektronischen Schalter im Abschnitt 3 beschrieben. Die Abschnitte 4 bis 6 behandeln
die Eigenschaften und Entwurfsmethoden fUr Schaltkreisfamilien, Kippschaltungen und
Speicher. Neben den klassischen Netzwerkberechnungsmethoden wird ein Weg der Schal
tungssimulation mit SPICE gezeigt. Der Abschnitt 7 zeigt Schaltungsprinzipien fUr die
Umsetzung analoger Signale in digitale und umgekehrt.
Dieses Buch entstand teilweise aus Skripten zur Vorlesung "Digitale Schaltungstechnik",
die wir seit 1987/88 an der Fachhochschule Hamburg halten.
Das Buch 5011 sowohl Studenten der Elektrotechnik, der Informatik und der angewandten
Physik von UniversiUiten und Fachhochschulen als auch Entwicklern in der Industrie helfen,
digitale Schaltungen zu verstehen und zu entwerfen.
Die Autoren bedanken sich bei den Kollegen Prof. Dr.-Ing. Bruno Giesl, Prof. Dr.-Ing.
Peter Pernards und Prof. Dr.-Ing. Ulrich Vogelsang fUr viele Anregungen, die wir aus
Gesprachen und schriftlichen Unterlagen entnommen haben.
Hamburg, im Februar 1990 Ralph WeiBel
Franz Schubert
Inhaltsverzeichnis
1. Elnleltung 1
1.1 Digitale Schaltungen 1
1.2 Analoge und digitale Signale 2
2. Definltlonen und KenngroBen der
I rnpulstechnlk 5
2.1 Formen und KenngroBen von Impulsen 5
2.2 Impulsfunktionen. . . . . . . . . . 8
2.3 Impulsverhalten passiver Zweitore 11
2.4 Schalter-Kondensator-Technik . . . 20
3. Elektronlsche Schalter 22
3.1 PN- und Schottky-Dioden ..... . 22
3.1.1 Statisches Verhalten von Dioden . 22
3.1.2 Dynamisches Verhalten von Dioden 27
3.1.3 Schottky-Dioden 28
3.2 Diodenschaltungen ......... . 29
3.3 Der Transistor als Schalter .... . 30
3.3.1 Strom- und Spannungsschalter 32
3.4 Inverter mit BipolartransistOf"~ . . 35
3.4.1 Gesattigte Transistorinverter 36
3.4.2 Schalten kapazitiver Lasten 40
3.4.3 Schalten induktiver Lasten . 44
3.4.4 Gegentakttr ans istorschalter 49
3.4.5 Transistorschaltzeiten ... 54
3.4.6 MaBnahmen zur Verringerung von Schaltzeiten 57
3.5 MOS-Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . 61
3.6 NMOS- und CMOS-Inverter . . . . . . . . . . . 74
3.6.1 Statisches Verhalten von MOS-Invertern 74
3.6.2 Schaltverhalten von MOS-Invertern .... 85
3.6.3 Digitale Torschaltungen ( Transmission-Gates 90
3.6.4 Getaktete CMOS-Schaltungen . . . . . . . . . 92
VII
3.7 Charakteristische GrbBen .................... 95
3.7.1 Eingangs- und AusgangsgrbBen .......... , . . . 95
3.7.2 Pegelgrenzen. Stbrabstande und Ubertragungskennlinien 100
3.7.3 Ausgangsstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.7.4 Verlustleistung. Durchlaufverzbgerungszeit und GUtemaB 104
4. DIgltale Schaltkreisfarnilien 106
4.1 Grundschaltungen mit Bipolar- und Feldeffekttransistoren 106
4.2 Transistor-Transistor-Logik (TTL) ............. . 108
4.2.1 KenngrbBen und Schaltungsberechnung
von Standard-TTL- Schaltungen . . . . 109
4.2.2 Schaltungen mit Schottky-Transistoren
(LS. S. ALS. AS und FAST) 114
4.3 Emittergekoppelte Logik (ECL) 121
4.4 Integrierte Injektionslogik (l2U . 125
4.5 MOS-Logik (NMOS und CMOS) 127
4.5.1 GrbBtintegration . . . . . 137
4.6 BICMOS-Logik ....... . 140
4.7 Galiiumarsenid-MESFET- Logik 141
S. Kippschaltungen und Speicher 145
5.1 Operationsverstarker als nichtlineares Schaltelement . 146
5.1.1 Funktion und KenngrbBen 147
5.2 Pegelgesteuerte Kippschaltungen 154
5.2.1 Komparatoren . . . 154
5.2.2 Schmitt-Trigger . . . . . . . 155
5.3 Astabile Kippschaltungen . . . . . 161
5.3.1 Astabile Kippschaltungen mit Schmitt-Trigger 161
5.3.2 Astabile Kippschaltungen mit Invertern 163
5.4 Monostabile Kippschaltungen . . . . . . . 171
5.4.1 Monoflops mit NAND-Schaltungen 171
5.4.2 Monoflops mit NOR-Schaltungen 173
5.5 Zeitgeberschaltungen (Timer) 176
5.6 Bistabile Kippschaltungen 182
5.7 Speicherschaltungen .... 184
5.7.1 Statische Speicher .. 185
5.7.2 Dynamische Speicher . 188
S. Interface-Schaltungen 190
6.1 Pegelumsetzer ......... . 190
6.2 Leistungsstufen ........ . 198
6.3 Busschaltungen und Leitungstreiber 203
6.4 Optokoppler ............. . 208
VIII
7. Analog/,Dlgltal- und Digital/, Analog
UrTlsetzer 214
7.1 Grundlagen der Umsetzung ............... . 214
7.2 KenngroBen von Signalumsetzern ............ . 219
7.3 Schaltungen zur analogen Signalaufbereitung und -verarbeitung 224
7.4 Verfahren und Schaltungen der DI A-Umsetzung ....... . 231
7.4.1 DI A-Umsetzer mit gleichen WidersUinden
oder Stromquellen ............ . 232
7.4.2 DI A-Umsetzer mit gewichteten Widerstanden
oder Stromquellen .................... . 234
7.4.3 DIA -Umsetzer mit Ladungssteuerung ( Zahlverfahren ) 238
7.5 Verfahren und. Schaltt.Jngender A/D-Umsetzung 241
7.5.1 Parallelumsetzer ..... 241
7.5.2 Kaskaden-A/D-Umsetzer 243
7.5.3 Serielle A/D-Umsetzer. . 244
7.5.4 A/D-Umsetzer mit Rampenverfahren 247
s. Anhang 251
8.1 Schaltungsberechnungen mit SPICE. 251
8.2 Modelldaten fUr SPICE ....... . 253
Llteratur ....... . 256
Sachverzelchnls 260
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 digi
tale Signale oder setzen analoge Signale in digitale Signale um oder urngekehrt.
Das logische Verhalten komplexer Schaltungen mit einer schaltalgebraischen Beschrei
bung ist in der digitalen Schaltungstechnik von untergeordneter Bedeutung.
Das physikalische Verhalten von passiven und aktiven Bauelementen bestimmt maBgeblich
die Eigenschaften digitaler Schaltungen. Die wichtigsten Bauelemente sind Widersti:inde,
KapaziUiten, Induktivitaten, Dioden, Bipolartransistoren, MOS-Feldeffekttransistoren, ge
steuerte Quellen und Operationsverstarker.
FUr die Entwicklung von digitalen Schaltungen ist daher das Zusammenwirken aller Bau
elemente zu berUcksichtigen. Bei integrierten Schaltungen treten durch die geringen Ab
stande und durch Sperrschichtisolationen parasitare Effekte auf, die das Verhalten eben
falls beeinflussen.
Durch die immer komplexeren Schaltungen mit vie len nichtlinearen Bauelementen ist die
Berechnung mit einfachen Knoten- und Maschenregeln kaum noch meglich. Schaltungs
analyseprogramme ( z.B. SPICE [ 1.1 ] ) sind daher eine wesentliche Hilfe des Entwick
lers.
In der Vergangenheit wurden neue Schaltungen zur Erprobung auf Experimentierplatinen
"fliegend" aufgebaut, d.h. gelotet oder Uber eine Wickeltechnik 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" entworfen.
Diese Methode ist seit Mitte der achtziger Jahre aus KostengrUnden und wegen des zu
hohen Zeitaufwandes nicht mehr haltbar. Mit der EinfUhrung des "elektronischen Layouts"
wurden Entwicklungsmethoden gesucht, die ausschlieBlich mit einem Rechnersystem aus
gefUhrt werden konnen. Layout-Programme fUr die Plazierung von Bauelementen und zur
Festlegung von Verbindungsstrombahnen wurden schnell akzeptiert. Die Schaltungen mit
allen Bauelementen lassen sich bei vielen System en schematisch eingeben. Durch die
bequeme Eingabe sind bei komfortablen Systemen die Voraussetzungen fUr die AusfUh-
2
rung einer Schaltungssimulation erfUlit. Mit Hilfe eines "elektronischen LaborpI atzes"
( "Analog Workbench" ) laBt sich die komplette Schaltungsentwicklung simulieren, 50 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 AbtasVHalte-Schaltung ), 50 sind die
Signale weiterhin wertkontinuierlich, aber zeitdiskret.
Digitale GraBen kannen 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 einSymbol zur Darstellung von
Informationen aus einer endlichen Menge von definierten 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 wert
diskret. Durch eine Quantisierung lassen sich zeitdiskrete analoge Signale mit Hilfe der
Analog/Digital-Umsetzung in digitale Signale umformen.
Die wichtigste Gruppe der digitalen Signale sind die binaren Signale, die nur zwei Zu
stande annehmen kannen. Die ZusUi.nde werden mit "0" und '"1"' gekennzeichnet. Jeder
Zustand ist bestimmten Pegelbereichen zugeordnet. Der Pegelbereich 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 fur 0 = 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-Logikschaltungen
= =
liegen zwischen UIL 0 V und O,B V fUr LOW und UIH 2,0 V und 5,0 V fur HIGH
bei einer Betriebsspannung von Ucc = 5,0 V.
Bei dynamischen Schaltungen werden Vorgange 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.
3
Durch binare Signale lassen sich numerische und alphanumerische Informationen Uber
ein festgelegtes Zuordnungsschema kodieren.
Diese Kodierung ist bei alphanumerischen Informationen durch Normung festgelegt. Ein
Beispiel ist der ASCII-Kode ( "American Standard Code for Information Interchange" ).
der weltweit verbreitet ist.
Numerische Kodierungen lassen sich nach dem Stellenwert vornehmen ( "polyadischer
Kode" ). Der numerische Wert W wird als Zahl bezeichnet und enthalt
= =
n BN 2N
verschiedene Zahlen der Basis B = 2 ( Binarsystem ) von 0 bis 2N - 1.
= =
Ausgehend von der Wertigkeit der J-ten Stellen ZJ ( "Binary Digit" "Bit" ) folgt
ZJ = 0 oder 1 von J = 0 bis N-1.
Eine Foige von N zusammenhangenden Stellen als Einheit bezeichnet man als "Wort" mit
der Wortbreite ( oder -lange) N.
Bei groBen Zahlen entstehen sehr groBe Wortbreiten. Bei der schriftlichen Darstellung
konnen sich leicht Fehler einschleichen. Aus diesem Grunde werden Zahlen auch in
= =
Sedezimalform ( Hexadeximalform ) zur Basis B 16 angegeben. Die Stellenwertig
keiten liegen zwischen 0 bis 9 und A bis F. Die Buchstaben A bis F stehen fUr die
sonst zweistelligen Dezimalzahlen 10 bis 15.
Datenworte konnen in paralleler Form oder in serieller Form Ubertragen und verarbeitet
werden.
Die Ubertragung von parallelen Datenworten ist sehr schnell und dauert nur eine Takt
impulsbreite. Es werden aber N Datenleitungen benotigt.
FUr die Ubertragung serieller Daten benotigt man nur eine Leitung. die Ubertragungsdauer
betragt jedoch N Taktimpulse.
Die Verarbeitung von parallelen Daten ist sehr viel schneller als bei seriellen Daten. Der
Schaltungsaufwand ist bei der parallelen Datenverarbeitung im allgemeinen niedriger.
Die Umsetzung der Datenbreiten zur Ubertragung in paralleler oder serieller Form wird
durch Multiplexer oder Schieberegister vorgenommen [ 1.2 und 1.3 J.
Foigende Datenwortbreiten sind gebrauchlich:
4 Bit = 1 Nibble: Dezimal- Sedezimalzahlen.
8 Bit = 1 Byte: alphanumerische Daten. Festkommazahlen niedriger Auflosung.
12 Bit: MeBinformationen mit Vorzeichen und Betrag.
16 Bit = 1 Word: allgemeine numerische Daten.
32 Bit = 1 Longword: numerische Daten hoher Auflosung.
64 Bit: Daten in Exponentmantissenform ( Gleitkommadarstellung >.
