Analoge und digitale Signale

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1 Analoge und digitale Signale Binär Erster binärer Zustand Zweiter binärer Zustand Schalter geschlossen Schalter geöffnet Impuls vorhanden Impuls nicht vorhanden Transistor leitend Transistor sperrt Spannung hoch (5V) Spannung niedrig (0V) High Low 1 0 Ja Nein Wahr Falsch Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 1

2 Technische Implementierung H oder 1 Verbotener Bereich Digitaltechnik L oder 0 Technologie Logische 0 Logische 1 TTL 0..0,8 V 2,4.. 5,0 V CMOS % V DD % V DD GTL 0,3.. 0,82 V 1,22.. 1,5 V RSL 1,4.. 1,8 V 1,0.. 1,4 V Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 2

3 Halbleiter Leiter Halbleiter Isolator Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, den man hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichteiter betrachten kann. Halbleiter sind Festkörper mit kristalliner Struktur. Beeinflussung der Leitfähigkeit durch Einbringung von Störstellen. Unter Störstellen versteht man fehlende oder überzählige Atome im Kristallgitter der Halbleiter oder den ersatzweisen oder zusätzlichen Einbau von Fremdatomen. Dotierung mit Donatoren, d.h. mit Atomen die ein Elektron mehr haben. Dotierung mit Akzeptoren, d.h. mit Atomen die ein Elektron weniger haben. Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 3

4 Halbleiter Donatoren: Akzeptoren Si Si Si Si Si Si Si Si Si P Si Si Si Al Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 4

5 Die Diode Dioden sind Halbleiterbauelemente, die Strom nur in einer Richtung durchlassen. Sie bestehen aus den zwei Elektroden Anode und Kathode und lassen nur dann einen Stromfluss zu, wenn die Anode positiver ist als die Kathode. Diodenkennlinien: Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 5

6 Dioden Dotierung des Halbleiters Eine Seite ist ndotiert (hat einen Überschuß an Elektronen) und die andere ist pdotiert (hat einen Mangel an Elektronen). nleitend pleitend } Rekombination in Grenzschicht (Diffusionsstrom) ladungsträgerarme Zone Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 6

7 Diode: Anlegen eines elektrischen Feldes Sperrrichtung ndotierter Bereich positive Spannungsquelle pdotierter Bereich negative Spannungsquelle n p Vergrößerung der ladungsträgerarmen Zone Sperrschicht entsteht. Es fließt kein Strom. _ Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 7

8 Diode: Anlegen eines elektrischen Feldes Durchlassrichtung: ndotierter Bereich negative Spannungsquelle pdotierter Bereich positive Spannungsquelle n p Ladungsträgerarme Zone wird abgebaut. Sperrschicht verschwindet. Strom fließt. _ Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 8

9 Der Transistor Der Transistor ist ein aktives Bauelement, das als stromgesteuerte Stromquelle beschrieben werden kann: Ein kleiner BasisStrom steuert den größeren KollektorEmitterStrom. Für Betrachtungen bezüglich der Schaltfähigkeit lässt sich der Transistor jedoch stark vereinfachen. Mechanisches Modell: Collector Basis Emitter Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 9

10 Bipolare Transistoren Kristall aus 3 aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnder Dotierung je nach Zonenfolge: npn oder pnp Transistor n p n ladungsträgerarme Zonen durch Rekombination Diffusionsstrom Steuerwirkung nur dann, wenn ein pnübergang in Sperr und der andere in Durchlassrichtung gepolt ist. bipolarer Transistor Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 10

11 Bipolare Transistoren Wirkungsprinzip n p Durchlaßrichtung Sperrrichtung n Emitter Drain Basis Gate Kollektor Source } Steuerspannung Hinreichend schmale Basiszone: Überlagerung der Sperrschicht durch ladungsträgerangereicherte Zone des in Durchlassrichtung geschalteten pnübergangs => EmitterKollektorStrom. Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 11

12 Schichtaufbau von integrierten Transistoren MOS Transistoren (unipolare Transistoren) MOS: Metal Oxide Semiconductor (MetallOxidHalbleiter). MOSTransistoren sind sogenannte Feldeffekttransistoren (FET): Steuerung durch Wirkung eines elektrischen Feldes. Unipolar, da pnübergänge gleichgepolt. Polysilizium (früher: Metall) Isolierschicht aus SiO 2 Source n Gate Kanal Drain n 25nm Hier: NMOS p Substrat < 5 µm ~ µm Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 12

13 Funktionalität des MOSTransistors Ohne Spannung zwischen Source und Drain keine Leitfähigkeit, da pnübergang am Drain in Sperrrichtung. n p n Source Drain Kondensatorplatten Gatekontakt und Kanal, dazwischen Siliziumoxidschicht. Anlegen einer positiven Steuerspannung: Aufladung des Kondensators: Influenz negativer Ladungen im Kanal, Kompensation der vorhandenen positiven Ladungen oberhalb einer Schwellenspannung Bildung einer nleitenden Inversionsschicht In dieser Schicht Aufhebung der pnübergänge => durchgehend leitende Verbindung Widerstandsabnahme mit zunehmender Steuerspannung Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 13

14 Überblick Schaltungstechnik bipolar: TTL TransistorTransistorLogik ECL EmitterCoupledLogic unipolar NMOS nleitend MOS CMOS ComplementaryMOS gemischt: BiCMOS BipolarCMOS Wichtige Parameter: Schaltgeschwindigkeit Verlustleistung Kosten Zuverlässigkeit Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 14

15 TTL TransistorTransistorLogik Bekannteste bipolare Schaltkreisfamilie Günstige Produktion Gute Leistungsfähigkeit Moderate Verlustleistung Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 15

16 Der Transistor als Schalter Bipolarer Transistor (npn Typ) Basis Collector Emitter I BE = 0 sperrend I BE > 0 leitend Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 16

17 Die TTL Logikfamilie 5 Volt 5 Volt 5 Volt leitend I OH sperrend von interner Logik Ausgang sperrend leitend I OL Ausgangsstufe Ströme bei log. 1 Ströme bei log. 0 Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 17

18 Inverter in TTL Eingangsstufe Ausgangsstufe Zwischenstufe Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 18

19 NandGatter in TTL Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 19

20 Fanout / Fanin 5 Volt leitend I OH = n * I IH sperrend I IH I IH I IH... I IH In 1 In 2 In 3 In n Größe von I OH Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 20

21 Darstellung im Datenblatt Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 21

22 CMOS Complementary MOSLogik Einfacher kompakter Aufbau Reine Spannungssteuerung Sehr kleine Leistungsaufnahme im statischen Betrieb Kein statischer Stromverbrauch Geringe Wärmeentwicklung auf Chip Ideal für Hochintegration Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 22

23 Der Transistor als Schalter Basis Bipolarer Transistor (npn Typ) Collector Emitter Gate Feldeffekttransistoren nkanal Typ pkanal Typ Drain Drain Source Gate Source I BE = 0 sperrend U GS = 0 sperrend U SG = 0 sperrend I BE > 0 leitend U GS > U th leitend U SG > U th leitend Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 23

24 CMOS Inverter V CC (5 Volt) a 5 0 PMOS y y 5 0 a NMOS CMOS Gatter i a i y 0 0 Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 24

25 Datenblattausschnitt CMOS Schaltkreis Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 25

26 Regeln für den Einsatz von CMOS Bauteilen Schutz gegen statische Entladung Unbenutzte Eingänge eines Bauteiles nie offen lassen Offener Eingang nimmt Potential im verbotenen Bereich an > Beide Transistoren dauernd offen > hoher Querstrom belastet das Bauteil Spannung eines Eingangs darf nicht wesentlich über Betriebsspannung liegen Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 26

27 BiCMOS Kombination von Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren Eingang und logische Verknüpfung in CMOS Ausgangsstufe Bipolar Anwendungen z.b. im Bereich von leistungselektronischen Schaltungsteilen BicmosInverter Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 27

28 Aktuelle Logikfamilien (Texas Instruments 2014) Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 28

29 Logikfamilien im Überblick Geschwindigkeit Integrationsdichte Leistungsverbrauch Treiberleistung nmos niedrig mittel sehr hoch mittel niedrig CMOS niedrig hoch sehr niedrig niedrig BICMOS niedrig mittel hoch niedrig hoch TTL mittel niedrig hoch hoch ECL hoch niedrig sehr hoch niedrig IIL mittel mittel mittel variabel GaAs sehr hoch sehr niedrig hoch niedrig Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 29

30 TristateAusgänge Neben H und L gibt es einen dritten hochohmigen Zustand Z In EN Out Z 0 Z 1 Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 30

31 TristateSchaltung TTLInverter ohne Tristate TTLInverter mit Tristate Technische Informatik 1 ETechnik WS 16/17 Dr. Kurt Sutter Kap. 3 Folie 31