Grundlagen digitaler Schaltungen

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1 Grundlagen digitaler Schaltungen von Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Hilberg Prof. Dr.-Ing. Robert Piloty Technische Hochschule Darmstadt Mit 323 Bildern und 3 Tabellen technische Hochschule öarmstndt FACHBEREICH INFORMATIK B I B L I O T H E_K Invpntnr-NIrT Sachgebiete: Standort i. R. Oldenbourg Verlag München Wien 1978

2 Vorwort Einleitung Einteilung der Schaltungen der Impulstechnik Beschreibung des Verhaltens der Schaltungen der Impulstechnik Linearität und Nichtlinearität Signalformen in der Impulstechnik Impulse und ihr Spektrum Schaltvorgänge in linearen passiven Schaltungen Grundschaltungen mit nur einem Energiespeicher Das Differenzierglied Das Integrierglied Grundschaltungen mit zwei Energiespeichern Kompensierter Spannungsteiler kk Impulsübertrager Schaftungen mit nichtlinearen Widerständen (Dioden) Problemstellung und Definitionen Schaltvorgänge in einfachen Schaltungen mit einer Diode Diode, Widerstand und Spannungssprung Diode, Kapazität und Spannungssprung Diode, Kapazität und Stromsprung Energieumsatz bei der Aufladung einer Kapazität über einen nichtlinearen Widerstand Kombination statischer Kennlinien Definition von Kennlinien ' Serienschaltung zweier nichtlinearer Widerstände Parallelschaltung zweier nichtlinearer Widerstände Abzweigschaltungen mit nichtlinearen Elementen Stückweise lineare Kennlinien Problemstellung und elementare geknickte Kennlinien Synthese von Schaltungen (Kennlinienapproximation mit technisch idealen Dioden) 79

3 3.4.3 Analyse von Schaltungen (Kennlinienkonstruktion von Schaltungen mit technisch idealen Dioden) Zweipol Dioden-Und-Gatter Dioden-Oder-Gatter Die Hintereinanderschaltung von Und- und Oder- Schaltung Die dynamische Analyse eines Gleichrichters Klemmschaltung Kippschaltungen mit negativen Widerständen Zwei Arten nichtlinearer Widerstände Stabile und instabile Arbeitspunkte Astabile Kippschaltung mit stromgesteuertem negativem Widerstand Monostabile Kippschaltung mit stromgesteuertem negativem Widerstand ; Bistabile Kippschaltung mit spannungsgesteuertem negativem Widerstand Dynamisches Verhalten von Dioden Prinzipielle Erscheinungen Speicherschaltdioden-Verstärker Leistung und Energie in nichtlinearen Schaltungen Maximale Leistungsübertragung von einem nichtlinearen Generator zu einem nichtlinearen Verbraucher Ableitung Lineare Widerstände Parabolische Kennlinien Hyperbolische Kennlinien Nichtlineare Energiespeicher Kapazität Induktivität Das statische Großsignalverhalten bipolarer Transistoren Qualitative Beschreibung Ableitung der Grundgleichungen von Ebers und Moll Ersatzschaltbilder Die physikalisch richtige Stromrichtung Die Stromgleichungen der Betriebszustände Kennlinien aus den Großsignal-Beziehungen Basisgrundschaltung Emittergrundschaltung 142

4 5.6.3 Kollektorgrundschaltung Ergänzungen und Spezialisierungen der Ersatzschaltbilder Klemmenstrom-Ersatzschaltbild Hybrid-iT-Ersatzschaltbild Beispiele Transistor mit Basiswiderstand Transistor mit Emitterwiderstand Minimale Restspannung Über steuerungs schutzdiode Temperaturabhängigkeit der Transistorgrößen Sperr ströme Basisemitterspannung Stromverstärkung Kollektorstrom Die Verlustleistung im Transistor Häufige Vereinfachungen im Transistor-Ersatzbild Der Transistor als Schalter Der Transistor mit ohmscher Last Der Transistor mit kapazitiver Last Der Transistor mit induktiver Last Kapazitive Ansteuerung eines Transistors Gatter mit Transistoren Der Inverter Eingangsstromkennlinien Die Spannungsübertragungskurve u = N(u ) 185 y x 7.2 Die ideale SpÜK für logische Schaltkreise Null- und Eins-Bereiche bei invertierenden Gattern Transistor-Gatter mit mehreren Eingängen RTL-Gatter (Resistor-Transistor-Logic) DTL-Gatter (Diode-Transistor-Logic) TTL-Gatter (Transistur-Transistor-Logic) ECL-Gatter (Emitter-Coupled-Logic) Die I L-Schaltkreistechnik (Integrated-Injection-Logic) Die Analyse dynamischer Vorgänge in bipolaren Transistoren mit dem Ladungssteuerungsmodell Rechenansatz der Ladungssteuerungstheorie Beispiele Ansteuerung der Basis über einen Widerstand

5 8.2.2 Ansteuerung über ein RC-Glied Verhalten im übersteuerten Zustand (Sättigung) Ersatzbilddarstellung Ableitung der vollständigen nichtlinearen Ersatzschaltung Umformungen Vergleich mit dem erweiterten Ebers-Moll-Modell Betrachtungen über die Konstanz der Großsignalparameter Kleinsignal verhalten Vergleich von Schalt- und Hochfrequenztransistoren Die Problemstellung Schalttransistor Hochfrequenztransistor Thyristor (Vierschichtdiode) Das statische Großsignalverhalten des Feldeffekttransistors Qualitative Einführung Widerstandsbereich Abschnürbereich Steuer-Kennlinie Komplementäre Transistoren Spannungsgesteuerter Widerstand Endliche Steigung im Abschnürbereich Schwellspannung und Substratvorspannung Symmetrische Darstellung der Transistor-Gleichungen Vollständiges Großsignal-Ersatzbild Die Problemstellung Erster Schritt: Das Teilersatzbild für den normalen Betriebszustand Zweiter Schritt: Vervollständigen des Ersatzschaltbildes Ersatzschaltbild für ein genaueres Modell Vollständiges Ersatzbild mit antiparallelen Stromquellen Der MOSFET-Inverter Das statische Verhalten eines Inverters Das dynamische Kleinsignal-Verhalten eines MOSFET Inverter mit ohmscher und kapazitiver Last Inverter mit Transistor- und Kapazitätslast Inverter mit Anreicherungs- und Verarmungstransistoren 276

6 11. MOSFET-Gatter Statische NAND- und NOR-Schaltungen Dynamische Inverter und Gatter Gatter mit komplementären MOS-FET' s (CMOS-Technik) Leistung x Schaltzeit eines CMOS-Inverters Elementare Impuls-Schaltungen Symmetrische Kippschaltung mit Gleichstrom-Rückkopplung (Flip-Flop) Allgemeine Bestimmung der Schleifenverstärkung Schleifenverstärkung und Sättigungsbedingung des Flip-Flops LS-Fl ip-flop W-Flip-Flop LSW-Flip Triggervorgang und SpÜK Die unsymmetrische bistabile Kippstufe (Schmitt-Schaltung) Aufgabenstellung und Schaltung Schleifenverstärkung Schwell Spannungen u, und u XK1 XjxZ Realisierung mit Gattern Die astabile symmetrische Kippschaltung Monostabile Kippschaltung > Sperrschwinger (Blocking-Oscillator) Beschreibung Berechnung der Schleifenverstärkung V Ausgleichsvorgang nach dem ersten Kippvorgang Ausgleichsvorgang nach dem zweiten Kippvorgang Sägezahngenerator, Miller-Generator Prinzip Miller-Generator Bootstrap-Generator Vergleicher (Komparator) Abtaster (Sampling gate) Prinzip Lineares Dioden-Tor Haltekreis 316 Anhang Al: Lösung einer Differentialgleichung erster Ordnung 318 Literaturhinweise 320 Stichwortverzeichnis 324