DIGITALTECHNIK 01 EINFÜHRUNG

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1 Seite 1 von 18 DIGITALTECHNIK 01 EINFÜHRUNG

2 Seite 2 von 18 Inhalt 1 EINFÜHRUNG ANALOG UND DIGITAL WAS IST EIN BIT? ANWENDUNGEN DER DIGITALTECHNIK LOGIK-PEGEL SCHALTZEITEN ELEKTRONISCHE REALISIERUNG DER SCHALTELEMENTE RELAIS-LOGIK DTL-SCHALTKREISFAMILIE TTL-SCHALTKREISFAMILIE MOS-SCHALTKREISFAMILIE ECL-SCHALTKREISFAMILIE WORST-CASE VALUES OF PRIMARY INTERFACING PARAMETERS EGB-SCHUTZMASSNAHMEN... 18

3 Seite 3 von 18 1 Einführung 1.1 Analog und Digital Abgrenzung und Vergleich Duden: analog = ähnlich, entsprechend digital = mit Ziffern Technik: kontinuierlich, nicht abzählbar mit Fingern abzählbar analoge Signale Temperatur, Druck, Spannung, Strom,... digitale Signale Einwohnerzahl, Kontostand,... Messung analoger Signale analoge Messung: Jeder Messgrösse wird ein prozentual gleicher Messwert zugeordnet. Jede Zwischenstufe ist möglich. (20% Messgrösse entsprechen 20% Messwert) digitale Messung: Jede Messgrösse wird quantisiert und einer Quantisierungsstufe zugeordnet. (0-10% entsprechen der ersten Quantisierungsstufe, 11-20% entsprechen der zweiten Quantisierungsstufe, u.s.w.) Anzeige der Messwerte analog digital Kathodenstrahl- Osziloskop, Zeigerinstrument Ziffernanzeige (LCD-Display) Analoge und digitale Verfahren: Verfahren analog digital Drehspulinstrument x Digitalvoltmeter x Quecksilberthermometer x Massstab x Tacho (PKW) x x Kilometerstand (PKW) x x Rechenschieber x Taschenrechner x

4 Seite 4 von Was ist ein Bit? binär = zweiwertig, zwei Zustände (0 oder 1 ) Schalter ein 1 Schalter aus 0 Antwort richtig 1 Antwort falsch 0 Spannung > 10V 1 Spannung < 10V 0 1 Bit (Binary Digit ) = ein binärer Zustand Zusammenfassung mehrerer Bits Tetrade Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 Byte Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 (2 Tetraden) MSB LSB Most Significant Bit Least Significant Bit Vorzüge der digitalen Darstellung - leichte Ablesbarkeit - höhere Genauigkeit bei geringen Kosten (ab Genauigkeit10 3 ) - einfache und zuverlässige Speicherung digitaler Messwerte 1.3 Anwendungen der - PC - Gameboy - CD-Player - Digital Audio Tape (DAT) - Digitaler Rundfunk (ADR, DSR) - Digitales Fernsehen (DF1) - Fahrkartenautomat - Ampelsteuerung - Speicher-Programmierbare-Steuerung (SPS) - Digitales Telefon (ISDN) - Briefsortieranlage - Computerized Numeric Control (CNC)

5 Seite 5 von Logik-Pegel Um Informationen verarbeiten oder anzeigen zu können, werden logische Pegel definiert. In binären Schaltungen werden für digitale Grössen Spannungen verwendet. Hierbei stellen nur zwei Spannungsbereiche die Information dar. Diese Bereiche werden mit H (high) und L (low) bezeichnet. H kennzeichnet den Bereich der näher an Plus unendlich liegt. L kennzeichnet entsprechend den Bereich der näher an Minus unendlich liegt. Beispiel mit 2 Logik-Familien: Die Pegelangaben L und H dürfen niemals mit den logischen Zuständen 0 und 1 verwechselt werden. Die Angaben L und H geben den reellen Spannungspegel an. Mit den Pegelangaben wird die elektrische Arbeitsweise einer Schaltung beschrieben. Will man die logische Arbeitsweise einer Schaltung beschreiben, so müssen die Pegelangaben den logischen Zuständen zugeordnet werden. Positive Logik Bei Verwendung der positiven Logik entspricht die logische 0 dem Pegel L und die logische 1 dem Pegel H. Negative Logik Bei der Verwendung der negativen Logik entspricht die logische 0 dem Pegel H und die logische 1 dem Pegel L. Wahrheitstabelle und Arbeitstabelle Die Tabelle links ist die Wahrheitstabelle mit positiver Logik. Die Tabelle rechts ist eine Arbeitstabelle mit positiver Logik. Hinweis: Um unnötige Verwirrung zu vermeiden wird in folgendem nur von der positiven Logik geschrieben. Es gilt: 0 = L und 1 = H.

6 Seite 6 von Schaltzeiten Die Arbeitsgeschwindigkeit einer Digitalschaltung wird durch die Schaltzeiten der Verknüpfungsglieder bestimmt. Man unterscheidet Signal-Laufzeit t P und Signal- Übergangszeit t T. Die Signallaufzeit t PLH gibt die Impulsverzögerung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung an, wenn der Ausgangszustand von L auf H geht. Zur Messung der Signal-Laufzeiten verwendet man einen Bezugspegel von 1,5V. Die Signal-Laufzeit t PLH ist die Zeit, die vergeht, bis eine Eingangsspannung von 1,5V auch am Ausgang erscheint. Die mittlere Signal-Laufzeit t P ist wie folgt festgelegt: Die Signal-Übergangszeit t TLH ist die Zeit, die vergeht, bis die Ausgangsspannung von 10% auf 90% des Unterschiedes zwischen L und H angestiegen ist.

7 Seite 7 von Elektronische Realisierung der Schaltelemente Verknüpfungsglieder lassen sich verschiedenartig aufbauen. Es gibt sie als Relaisschaltungen, Halbleiterschaltungen oder in integrierten Schaltungen(IC). Üblicherweise verwendet man Verknüpfungsglieder nur einer Art innerhalb einer Schaltung. So vermeidet man Probleme, die sich durch unterschiedliche Speisespannungen, binäre Signalpegel und Schaltzeiten ergeben. Verknüpfungsglieder unterschiedlicher Schaltkreisfamilien lassen sich untereinander meistens nur mit Pegel- und Logikwandlern verwenden. Meistens verwendet man Schaltkreisfamilien, deren Verknüpfungsglieder in integrierten Schaltungen eingebaut sind. RTL - Resistor-Transistor-Logic Die Glieder dieses Systems sind mit Widerständen und bipolaren Transistoren aufgebaut. DCTL - Direct Coupled Transistor Logic Die Glieder dieses Systems sind mit direkt miteinander gekoppelten bipolaren Transistoren aufgebaut. DRL - Dioden-Resistor-Logic Die Glieder dieses Systems sind mit Dioden und Widerständen aufgebaut. DTL - Dioden-Transistor-Logic Die Glieder dieses Systems sind hauptsächlich mit Dioden und Transistoren aufgebaut. TTL - Transistor-Transistor-Logic Die Glieder dieses Systems sind aus Bipolaren Transistoren aufgebaut. MOS Die Glieder dieses Systems sind mit N-Kanal-MOS-FET oder P-Kanal-MOS-FET aufgebaut. CMOS Schaltungen, welche komplementaer aufgebaut sind, nennt man man CMOS (complementary metal-oxyd-semiconductor circuit), weil sie komplementaere MOSFETS (NMOS- und PMOS-FETs) enthalten. ECL - Emitter-Coupled Logic Die Glieder dieser Logik sind mit Bipolaren Transistoren und Widerständen aufgebaut. Diese Schaltkreisfamilie hat eine sehr kurze Schaltzeit.

8 Seite 8 von Relais-Logik NEGATION: ODER: UND:

9 Seite 9 von DTL-Schaltkreisfamilie DTL-Schaltungen bestehen aus Dioden, Transistoren und Widerständen. Diese Schaltungen wurden diskret aufgebaut und später als Dünnfilm- und Dickschichtschaltungen hergestellt. Heute findet man sie manchmal noch als monolithische ICs. Die Grundschaltungen der DTL-Technik sind die UND-, ODER- und NICHT-Schaltungen. Aus Ihnen werden alle weiteren logischen Verknüpfungen aufgebaut. Weil die Verluste an elektrischer Energie innerhalb dieser Schaltungen sehr gross sind wird diese Schaltkreisfamilie nicht mehr häufig verwendet. Als diskreter Aufbau lässt sich die DTL sehr schnell realisieren. Die meisten Bauteile finden sich in jeder Elektronik-Bastelkiste. UND-Schaltung Die Funktion der Schaltung ist einfach erklärt. Wenn man beide Dioden mit der Betriebsspannung +U Bat verbindet, so sperren sie. Durch den Widerstand R 1 wird der Ausgang Q auf das Potential von +U Bat gelegt. Wird eine Diode mit 0 V verbunden, so fliesst jeder Strom im Stromkreis über die Diode auf 0 V ab. Zum Nachbau der Schaltung eignen sich die folgenden Bauelemente: R 1 = 1 kω / 0,25 W, V 1 = 1N4001, V 2 = 1N4001 ODER-Schaltung

10 Seite 10 von 18 Wenn man beide Dioden mit 0 V verbindet, so sperren sie. Über den Widerstand R 1 fliesst jeder Strom im Stromkreis auf 0 V ab. Wird eine Diode mit der Betriebsspannung +U Bat verbunden, so wird der Ausgang Q auf das Potential von +U Bat gelegt. Dabei muss beachtet werden, das die Spannung am Ausgang Q um 0,7V vermindert ist. Zum Nachbau der Schaltung eignen sich die folgenden Bauelemente: R 1 = 1 kω / 0,25 W, V 1 = 1N4001, V 2 = 1N4001 NICHT-Schaltung Diese logische Grundverknüpfung besteht nur aus einem Transistor und zwei Widerständen. Die NICHT-Schaltung funktioniert im Prinzip wie ein Schalter(Transistor als Schalter). Wird der Eingang E mit 0 V verbunden, so sperrt der Transistor, und über den Widerstand R 2 liegt der Ausgang Q auf dem Potential von +U Bat. Wird der Eingang mit der Betriebsspannung +U Bat verbunden, so leitet der Transistor, und über den Widerstand R 2 fällt fast die ganze +U Bat ab. Am Ausgang Q liegt 0V an. Zum Nachbau der Schaltung eignen sich die folgenden Bauelemente: R 1 = 1 kω / 0,25 W, R 2 = 150 Ω / 0,25 W, V 1 = BC 140/16 NAND-Schaltung

11 Seite 11 von 18 Die NAND-Schaltung entspricht einer Kombination aus einer UND-Schaltung und einer nachgeschalteten NICHT-Schaltung. Das heisst, die NAND-Schaltung funktioniert wie ein UND-Schaltung, deren Ausgangssignal negiert wird. Der Basis-Vorwiderstand der NICHT-Schaltung wird durch die Diode V 3 ersetzt. Zum Nachbau der Schaltung eignen sich die folgenden Bauelemente: R 1 = 1 kω / 0,25 W, R 2 = 150 Ω / 0,25 W, V 1 = 1N4001, V 2 = 1N4001, V 3 = 1N4001, V 4 = BC 140/16 NOR-Schaltung(DTL) Die NOR-Schaltung entspricht einer Kombination aus einer ODER-Schaltung und einer nachgeschalteten NICHT-Schaltung. Das heisst, die NOR-Schaltung funktioniert wie ein ODER-Schaltung, deren Ausgangssignal negiert wird. Zum Nachbau der Schaltung eignen sich die folgenden Bauelemente: R 1 = 1 kω / 0,25 W, R 2 = 150 Ω / 0,25 W, R 3 = 1 kω / 0,25 W, V 1 = 1N4001, V 2 = 1N4001, V 3 = BC 140/16

12 Seite 12 von TTL-Schaltkreisfamilie Die Bezeichnung TTL bedeutet Transistor-Transistor-Logic. Die Verknüpfungen werden bei dieser Schaltkreisfamilie ausschliesslich durch bipolare Transistorstufen erzeugt. Nur zur Verschiebung von Pegel und zur Spannungsableitung werden Dioden verwendet. Widerstände dienen als Spannungsteiler und Strombegrenzer. Die TTL-Schaltkreisfamilie gibt es nur als monolithisch integrierte Schaltkreise. Diskret können sie nicht aufgebaut werden. Die TTL-Schaltkreisfamilie gibt es in verschiedenen Unterfamilien, die für verschiedene Anwendungen mit besonderen Eigenschaften entwickelt wurden. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Schaltzeit(möglichst kurz), Leistungsaufnahme(möglichst gering) und ihrer Störsicherheit(möglichst gross). TTL-Unterfamilien Standard-TTL (7400) Will man die Vor- und Nachteile einer TTL-Unterfamilie darstellen, so vergleicht man sie mit dem Standard-TTL. Low-Power-TTL (74L00) Low-Power-TTL-Glieder nehmen nur etwa 10% der Leistung der Standard-TTL-Glieder auf. Die Schaltzeiten sind jedoch 3 mal so gross. High-Speed-TTL (74H00) High-Speed-TTL-Glieder schalten doppelt so schnell wie Standard-TTL-Glieder. Die Leistung ist aber doppelt so gross. Schottky-TTL (74S00) Schottky-TTL-Glieder haben sehr geringe Schaltzeiten. Ihre Leistungsaufnahme ist jedoch besonders gross. Low-Power-Schottky-TTL (74LS00) Die Low-Power-Schottky-TTL-Glieder haben die gleichen Schaltzeiten wie Standard-TTL- Glieder. Die Leistungsaufnahme entspricht aber nur 1/5 des Standard-TTL-Glieds.

13 Seite 13 von 18 Übersicht: TTL-Unterfamilien Die Standard-TTL-Glieder und die LS-TTL-Glieder sind die am häufigsten verwendeten TTL-Unterfamilien MOS-Schaltkreisfamilie Verknüpfungsglieder der MOS-Unterfamilien sind mit MOS-Feldeffekt-Transistoren aufgebaut. Diese Art von Transistor benötigt fast keine Steuerleistung, haben eine sehr kleine Bauform und sind einfach herzustellen. Die Kapazitäten des MOS-Fet sind jedoch dafür verantwortlich, dass die Schaltzeiten lang sind. Zusätzlich sind sie empfindlich gegen statische Aufladungen, die zur Zerstörung des Bauteils führen kann. Deshalb sind bei der Verarbeitung von MOS-Schaltungen besondere Sicherheitsmassnahmen erforderlich: Verarbeitungsraum mit elektrisch leitfähigem Fussbodenbelag Arbeitstisch mit leitfähigem und geerdetem Belag Arbeitskleidung aus Kunststoff vermeiden Manschette am Handgelenk, die über eine flexible Leitung geerdet ist MOS-Bausteine nicht verlöten, sondern über Sockel in die Schaltung einbauen PMOS: In den Verknüpfungsgliedern der PMOS-Unterfamilie werden selbstsperrende P-Kanal-MOS-Feldeffekt-Transistoren verwendet. Widerstände werden durch Feldeffekt-Transistoren mit besonderen Eigenschaften ersetzt. PMOS-Glieder arbeiten langsam aber Störsicher, und benötigen eine grosse negative Betriebsspannung( V). NMOS: In den Verknüpfungsgliedern der NMOS-Unterfamilie werden selbstsperrende N-Kanal-MOS-Feldeffekt-Transistoren verwendet. Eine andere Halbleitertechnologie ermöglicht eine Signallaufzeit wie bei Standard-TTL- Gliedern(10 ns). Durch eine Betriebsspannung von 5 V sind die NMOS-Glieder zu TTL-Gliedern kompatibel.

14 Seite 14 von 18 CMOS: Die übliche Bezeichnung CMOS ist die Abkürzung von Complentary Symmetry- Metal Oxide Semiconductor. Die deutsche Übersetzung dazu lautet Komplemntär-symmetrischer Metall-Oxid-Halbleiter. In den Schaltgliedern dieser MOS-Unterfamilie werden nur selbstsperrende MOS- Fets verwendet. Der Leistungsbedarf der CMOS-Glieder ist extrem niedrig(bis 10 nw), und hängt hauptsächlich von der Umschalthäufigkeit(max. 50 MHz) ab. Wegen der festlegbaren Betriebsspannung von +3 V bis +15 V, und ihrer grossen Integrationsdichte haben die CMOS-Glieder ein grosses Anwendungsgebiet erobert. Übersicht: MOS-Schaltkreisfamilie: NMOS-Logik: Ähnlich RTL-NOR: NMOS: MOS: Kollektorwiderstand durch Transistor ersetzt! N-Kanal MOS-FET (selbstsperrender Typ) Metal Oxyde Semiconductor

15 Seite 15 von 18 CMOS-Logik CMOS: Vorteil: Problem: Complementary MOS geringe Stromaufnahme, da stets ein Transistor sperrt! Stromstoss beim Umschalten! NEGATION: NOR: NAND:

16 Seite 16 von ECL-Schaltkreisfamilie Aufgrund des Schaltungs-Prinzips eines Differenzverstärkers wurde der Name abgeleitet(emitter-gekoppelte-logik). Bei der Entwicklung der ECL-Glieder verfolgete man das Ziel besonders schnelle Glieder zu erfinden. Deshalb sind die Glieder der ECL-Schaltkreisfamilie die am schnellste arbeitende zur Zeit überhaupt. Die Leistungsaufnahme liegt jedoch bei 60 mw je Glied und ist somit extrem hoch. Die ECL-Schaltungen müssen wie Hochfrequenzschaltungen aufgebaut werden(anpassung, Reflexion, Wellenwiderstand, etc.). Die Leitungswege zwischen den Gliedern müssen entsprechend kurz sein. Anwendung findet diese Schaltkreisfamilie vor allem im militärischen Bereich und in der industriellen Steuerungstechnik. Eigenschaften Schaltkreisfamilien Supply Voltage: Standart Low Voltage : 4,5...5,5V : 2,7...3,6V

17 Seite 17 von 18 Bei Neuentwicklungen helfen Diagramme, in denen die unterschiedlichen Familien in Abhängigkeit von Parametern dargestellt sind, bei der Auswahl einer geeigneten Familie. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Übersicht von Logikfamilien in Abhängigkeit der Signalverzögerung t pd eines Standardtreibers und der Leistung I OL der Ausgangstreiber. Dabei sind die 5 Volt und 3,3 Volt Familien mit unterschiedlichen Farben gekennzeichnet. In dem Diagramm sind beispielhafte Anwendungsbereiche für die Bausteinfamilien eingetragen. Ein Entwickler wählt anhand des Diagramms eine Familie aus, welche die von ihm geforderten Parameter erfüllt. Weitere Parameter der Logikfamilien sind: Leistungsverbrauch, Pegel der Ein- und Ausgangssignale, Rauschempfindlichkeit, Versorgungsspannung (5V, 3,3V, 1,8V,...), verfügbaren Logikfunktionen, Gehäuseform Temperaturbereich, Technologie der Bausteine.

18 Seite 18 von Worst-Case Values of Primary Interfacing Parameters 1.13 EGB-Schutzmassnahmen Problem: CMOS-Schaltkreise können durch elektrostatische Entladungen zerstört werden! EGB: ESD: Deshalb: Elektrostatisch gefährdetes Bauelement Electrostatic Sensitive Device Schutzmassnahmen beachten! Elektrostatische Entladungen unbedingt vermeiden!