Script zur Lehrveranstaltung. Analoge und Digitale Schaltungen. Studiengang Elektrotechnik/Automatisierungstechnik. Teil: Digitale Schaltungen

Transkript

1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Informatik und Automatisierung Institut für Technische Informatik und Ingenieurinformatik Lehrgebiet Methodik des Hardwareentwurfs Script zur Lehrveranstaltung Analoge und Digitale Schaltungen Studiengang Elektrotechnik/Automatisierungstechnik Teil: Digitale Schaltungen von Dr.-Ing. Norbert Hirt

2 Inhalt Einleitung 1. Elektronische Bauelemente (42 Seiten) 1.1 Widerstände Lineare Widerstände Fotowiderstände Nichtlineare Widerstände Varistoren Heißleiter (NTC-Widerstände, Thermistoren) 1.2 Kondensatoren 1.3 Induktivitäten (Übertrager, Relais) 1.4 Halbleiterdioden Universal- und Schaltdioden Statisches Verhalten Statische Kennwerte Dynamische Kennwerte Z-Dioden Kennlinie und Kennwerte Anwendungsschaltungen mit Z-Diode 1.5 Bipolartransistoren Statische Eigenschaften, Ersatzschaltungen und Kennwerte Bipolartransistor in Analogschaltungen (Verstärker) Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung Driftverhalten Schaltungen zur AP-Stabilisierung Transistor in Digitalschaltungen Statisches Verhalten Zur statischen Bemessung von Transistor-Schaltstufen Schaltzeiten des Transistorschalters 1.6 Feldeffekttransistoren (FET, unipolare Transistoren) Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (MOSFET) Sperrschicht-FET Statisches Verhalten von MOSFET Ausgangskennlinienfeld Ersatzschaltbild und Kennliniengleichungen FET als steuerbarer Widerstand Schaltstufen mit FET Dynamisches Verhalten von FET-Schaltstufen 1.7 Schaltverhalten einfacher passiver Zweitore (Spannungsteiler) Schaltverhalten ohmscher Spannungsteiler Schaltverhalten von RC-Gliedern Schaltverhalten einer Induktivität Zur Lösung linearer Differentialgleichungen 2. Elektronische Schalter (16 Seiten) 2.1 Idealer und realer Schalter Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten 2.2 Schaltstufen mit Transistoren Schaltstufen mit Bipolartransistor Schaltstufen mit Unipolartransistor Zur statischen Dimensionierung 2.3 Lastverhalten von Transistorschaltstufen Statische Lastschaltungen Schalten kapazitiver Lasten Schalten induktiver Lasten 2.4 Gegentaktschaltstufen 2.5 Ungesättigte Transistorschalter

3 3. Logische Elemente und Schaltungen (20 Seiten) 3.1 Logische Grundfunktionen 3.2 Signalpegel in logischen Schaltungen Positive und negative Logik Pegelbereiche und Übertragungskennlinie 3.3 Kenngrößen logischer Schaltungen Statische Kennwerte Spannungspegel, Störabstand Eingangs- und Ausgangsströme, Lastfaktoren Ausgangsstufen Schaltzeiten Verlustleistung 3.4 Schaltungstechnische Realisierung elektronischer Verknüpfungsglieder Schaltungen in Kontakttechnik Dioden- und Transistorschaltungen Diodenschaltungen Transistorschaltungen 3.5 Zum Entwurf logischer Schaltungen Entwurfsdarstellung und -verifikation Simulationsarten Circuit-Simulation Switch-Level-Simulation Logik-Simulation Mixed-Mode-Simulation 4. Digitale Schaltkreisfamilien (28 Seiten) 4.1 Dioden-Transistor-Logik (DTL, DZTL) 4.2 TTL-Schaltkreise Überblick Schaltung des NAND-Gatters TTL-Schaltungen mit offenem Kollektor TTL-Schaltungen mit Tristate-Ausgängen TTL-Schaltungen mit Schottky-Transistoren (STTL) Kennwerte von TTL-Schaltungen Signalpegel und statischer Störabstand Eingangs- und Ausgangsströme Dynamische Kennwerte 4.3 ECL-Schaltkreise Allgemeines Grundschaltung in ECL Logische Verknüpfung in ECL 4.4 Integrierte Injektions-Logik (I 2 L) Grundschaltung der I 2 L-Logik Logische Verknüpfung bei I 2 L-Schaltungen Verzögerungszeit bei I 2 L 4.5 n-mos-schaltkreise 4.6 CMOS-Schaltkreise CMOS-Grundschaltungen Transmissionsgatter, Analogschalter Tristate-Schaltungen in CMOS-Technik Kennwerte von CMOS-Schaltkreisen Eingangskennwerte Ausgangsstufen und -kennwerte High-speed-CMOS-Baureihe 74 HC / 74 HCT 4.7 BICMOS-Schaltkreisreihe 74 BCT 4.8 Gallium-Arsenid-MESFET-Schaltkreise

4 5. Rückgekoppelte Kippschaltungen (20 Seiten) 5.1 Flipflop-Schaltungen Basis-Flipflop Taktgesteuerte Flipflops Logisches Verhalten von Flipflops Parallel- und Schieberegister Parallelregister Schieberegister 5.2 Schmitt-Trigger (Schwellwertschalter) 5.3 Monoflops Monoflop mit Logikgattern Retriggerbare Monoflops 5.4 Impulsgeneratoren (astabile Multivibratoren) Impulsgeneratoren mit Gatterschaltkreisen Quarzgeneratoren 6. Kodier- und Dekodierschaltungen (10 Seiten) 6.1 Kodewandler Allgemeine Kodewandler Dekodierer (Decoder) Kodierer 6.2 Multiplexer und Demultiplexer Demultiplexer Multiplexer Anwendungen von Multiplexern und Demultiplexern Multiplexer / Demultiplexer als Funktionsspeicher Multiplexer als Funktionsspeicher Demultiplexer als Funktionsspeicher 7. Zähler und Frequenzteiler ( 6 Seiten) 7.1 Dualzähler Asynchrone Dualzähler Synchrone Dualzähler 7.2 Dezimalzähler Asynchrone BCD-Zähler Synchrone BCD-Zähler 8. Interface-Schaltungen (24 Seiten) 8.1 Allgemeine Betrachtungen 8.2 Pegelwandler Pegelumsetzung zwischen Logikpegeln Umsetzung zwischen Logikpegel und V.24-Pegel Dioden-Begrenzerschaltungen für LSI-Schaltkreise 8.3 Anzeigeelemente und ihre Ansteuerschaltungen LED-Anzeigeeinheiten Ansteuerschaltungen für LED-Anzeigen 8.4 Optokoppler Grundtypen von Optokopplern Ansteuerung von LED in optischen Sendern 8.5 Busschaltungen Sender mit offenem Kollektor Sender mit Tristate-Stufen 8.6 Zur worst-case-bemessung digitaler Schaltungen Totales Fehlerdifferential Praktisches Verfahren der Worst-Case-Analyse Ersatzschaltungen für Ein- und Ausgangsstufen integrierter Schaltkreise Ersatzschaltungen für Eingangsstufen Ersatzschaltungen für Ausgangsstufen Beispiele zur worst-case-bemessung

5 9. Halbleiterspeicher 9.1 Allgemeiner Überblick 9.2 Festwertspeicher, ROMs Zur Einteilung von ROMs Schaltungstechnische Realisierung der Speichermatrix 9.3 Schreib-Lese-Speicher (RWM, RAM) Statische RAMs Aufbau und Funktionsweise Dynamische Kenngrößen statischer RAMs Dynamische RAMs 9.4 Speicher mit seriellem Zugriff (12 Seiten) 10. Anwendungsspezifische Integrierte Bausteine (ASICs) (18 Seiten) 10.1 Überblick 10.2 Programmierbare logische Schaltungen Prinzip Varianten von PLD-Bausteinen Programmier- und löschbare PLDs Programmierbare Gate Arrays 10.3 Pinout und Gehäuseformen von PLDs/FPGAs 10.4 Überblick über FPGA-Familien 11. Störeinflüsse bei der Datenübertragung (10 Seiten) 11.1 Allgemeiner Überblick 11.2 Störungen durch Leitungsreflexionen Elektrisch lange Leitung, Wellenwiderstand Schaltverhalten elektrisch langer Leitungen 11.3 Symmetrische und unsymmetrische Signalübertragung 11.4 Störungen durch Übersprechen 11.5 Störungen durch die Induktivität der Stromversorgungsleitungen 12. Bussysteme, Schnittstellen (14 Seiten) 12.1 Überblick 12.2 Parallele Bussysteme 12.3 Serielle Schnittstelle, serielle Datenübertragung Serielle Datenübertragung Asynchrone und synchrone Datenübertragung 12.4 Einheitliche serielle Schnittstellen RS-232C-, V.24-Schnittstelle Schnittstellen nach der RS-422/485-Norm 12.5 Schnittstellenvergleich

6 Literatur: / 1/ Seifart, M.: Digitale Schaltungen. Verlag Technik Berlin, / 2/ Tietze, U.; Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York / 3/ Kühn, E.: Handbuch TTL- und CMOS-Schaltkreise. Verlag Technik Berlin, / 4/ Seifart, M.: Analoge Schaltungen. Verlag Technik Berlin, / 5/ Roth, M.; Hirt, N.: Schaltungen für Digital-Analog- und Analog-Digital-Umsetzer. In: Taschenbuch Elektrotechnik, Bd. 3/II (Hrsg. E. Philippow), Verlag Technik Berlin, / 6/ Schiffmann/Schmitz: Technische Informatik 1. Grundlagen der digitalen Elektronik. (Springer-Lehrbuch) Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New-York-London-Paris- Tokyo-Hong Kong-Barcelona-Budapest / 7/ Borucki, L.: Digitaltechnik. B.G.Teubner Stuttgart / 8/ Beuth, K.: Digitaltechnik. Vogel Buchverlag Würzburg / 9/ Brauer/Lehmann: Elektronik-Aufgaben. Fachbuchverlag Leipzig /10/ Dostál, J.: Operationsverstärker. Verlag Technik Berlin /11/ Weißel, R.; Schubert, F.: Digitale Schaltungstechnik. Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York-London-Paris-Tokyo-Hong Kong /12/ Siegl, J.; Eichele, H.: Hardwareentwicklung mit ASIC. Einsatz und Anwendung von CAE-Entwurfswerkzeugen (Reihe Mikroelektronik, Band 8). Hüthig Buchverlag Heidelberg /13/ Baumann, P./Möller, W.: Schaltungssimulation mit Design Center. Fachbuchverlag Leipzig-Köln /14/ Lehmann, C.: Elektronik-Aufgaben. Band II: Analoge und digitale Schaltungen. Fachbuchverlag Leipzig-Köln /15/ Scarbata, G.: Synthese und Analyse Digitaler Schaltungen. R.Oldenbourg Verlag München Wien 1996 Anhang Ü P Übungsaufgaben Praktikumsaufgaben "Circuit-Simulation" (PSPICE)

7 Einleitung Die stürmische Entwicklung der Mikroelektronik hält seit der Erfindung des Transistors im Jahre 1948 ungebrochen an. Wesentliche Meilensteine dieser Entwicklung waren die Realisierung der ersten integrierten Schaltungen um 1960 und die Einführung der ersten Mikroprozessoren um 1974 (einschließlich anwenderprogrammierbarer Speicher) als Vorläufer der gegenwärtigen Computer. { Der Integrationsgrad mikroelektronischer Bausteine und die Komplexität damit aufgebauter elektronischer Systeme wachsen noch immer. Der technologische Stand der Halbleitertechnik ermöglicht heute Integrationsgrade von über Transistorfunktionen pro Baustein mit Strukturgeometrien im 100 nm - Bereich und kleiner. Mit der Verfügung über enorme und kostengünstige Rechenleistung bietet sich die Möglichkeit, auch komplexe Systemaufgaben mittels Software auf einer Standard-Hardware zu lösen. Heute kann bei der technischen Realisierung digitaler elektronischer Systeme zwischen einer "Softwarelösung" und einer "Hardwarelösung" unterschieden werden (Bild 1). { Bei der Softwarelösung wird eine Standard-Hardware mit Universal- oder Signalprozessoren, Speicher- und Peripheriebausteinen verwendet. Die anwendungsspezifische Lösung wird dann durch ein entsprechendes Hochsprachprogramm (HLL - High Level Language) erreicht. Die Verwandtschaft zu Lösungen komplexer Softwareaufgaben ist unmittelbar zu erkennen. { Bei Hardwarelösungen unterscheidet man Realisierungen mit Standard-Schaltkreisen und Anwenderspezifischen Integrierten Schaltkreisen ASICs (PLD, Standard-Zellen, Gate-Array). Im Gegensatz zu Softwarelösungen sind Änderungen nach der Implementierung nur noch eingeschränkt möglich. Technische Realisierung Softwarelösung Hardwarelösung Mikroprozessoren Speicher Peripherieschaltkreise analog Standard-IC digital CMOS, TTL ASICs Semi-Kunden-IC Kunden-IC Standardschaltkreise Standardschaltkreise Gate-Array PLD Standard-Zelle vollständig vorgefertigt vollständig vorgefertigt vorgefertigt vorgefertigte Makrozellen Änderungen durch Programm möglich keine Änderungen möglich Änderungen bedingt möglich z.b. Verbindungen, Plazierung Bild 1: Technische Realisierung elektronischer Systeme als Hard- oder Softwarelösung

8 Parallell zu den technologischen Fortschritten wurden und werden leistungsfähige Verfahren und Werkzeuge für den Entwurf komplexer Systeme entwickelt (CAE - Computer Aided Engineering). Diese CAE-Werkzeuge bieten in Verbindung mit Bauteilbibliotheken vielfältige Verifikations- und Testmöglichkeiten im gesamten Entwurfsprozeß ohne eine physikalische Realisierung (virtuelles Labor). Wichtigstes Werkzeug zur Schaltungsverifikation ist die Simulation (Analyse und Modifikation am Modell). Man unterscheidet u.a. zwischen { Device-Simulation: Simulation von Einzelhalbleitern und geometrischen Strukturen, z.b. zur Ermittlung von Modellparametern, { Circuit-Simulation: Netzwerkanalyse (meist modifizierte Knotenspannungsmethode) auf Basis von Transistor- bzw. Makromodellen von ICs; Ergebnisse dieser Simulation sind typisch die Spannungs-/Stromverläufe im Zeitbereich, { Logik-Simulation: Berechnung der logischen Zustände (1-0-X) einer Logikschaltung bei gegebenen Eingangsbelegungen. CAE-Entwurfswerkzeuge (auf CAE-Workstations) Schaltungsstruktur Schaltungsverifikation (Simulation) Layouterstellung Dokumentation Schaltplaneingabe Symbolgenerierung Circuit-Simulation Logik-Simulation Leiterplatten ASICs Bild 2: Einsatzbereiche von CAE-Werkzeugen beim Schaltungsentwurf Bei der Entwicklung einer Hardwarelösung ist der Aufwand für den Aufbau von Versuchs- und Testschaltungen aus Standardelementen, die Verifikation und Optimierung von Teilschaltungen wegen der Komplexität der Gesamtsysteme und aus Zeit- und Kostengründen nicht mehr zeitgemäß bzw. muß zumindest stark reduziert werden. Der Entwurf komplexer Systemfunktionen und deren relativ kostspielige Realisierung in Silicium erfordert zunehmend eine systematische Methodik; ein Entwurf muß bereits vor seiner Realisierung getestet und optimiert werden. Physikalisch-technische Beschränkungen der späteren Realisierung (Parameter, Grenzwerte, Restriktionen,...) müssen schon in der Konzipierungsphase berücksichtigt werden. Dazu werden vom Entwickler solide Kenntnisse in der Schaltungstechnik, über Schaltkreistechnologien sowie über Entwurfswerkzeuge und deren Möglichkeiten gefordert. Das gilt im Prinzip auch für den Entwurf technischer Realisierungen mittels einer Softwarelösung. Jede Aufgabenstellung erfordert eine spezifische, in Leistungsumfang, Kosten usw. gut angepaßte Rechnerkonfiguration aus einem sehr breiten Spektrum von Systemkomponenten mit spezifischen Kenngrößen. Besonders wichtig dabei ist die Festlegung und Auswahl geeigneter Schnittstellen für die Prozeßperipherie. Dazu werden zumindestens Kenntnisse über deren technische Realisierung und der damit verbundenen Kennwerte und Eigenschaften vorausgesetzt. { Zur Entwicklung effektiver Systemlösungen muß ein Entwickler i.a. über ein breites Spektrum von Grund- und Spezialkenntnissen aus unterschiedlichen Teilbereichen verfügen, da moderne Lösungen zunehmend als integrierte Hard-/Softwarelösungen entstehen. { Die Verteilung der geforderten Grund-/Spezialkenntnisse auf die einzelnen Teilbereiche ist für die einzelnen Entwickler unterschiedlich und aufgabenspezifisch.

9 Die schnelle Weiterentwicklung der Halbleiter- und Digitaltechnik sowie die Bereitstellung immer neuer und/oder komplexer werdender Funktionselemente und Entwurfswerkzeuge läßt Details rasch veralten. Wir konzentrieren uns deshalb auf allgemeingültige Grundlagen und Kentnisse zur digitalen Schaltungstechnik. Sie sollen helfen, den aktuellen Stand der Digitaltechnik einzuschätzen und auch künftige Weiterentwicklungen zu erfassen und richtig einzuordnen. Gleichzeitig wird damit der notwendige Hardwarehintergrund für andere Lehrveranstaltungen geliefert. Das vorliegende Script entstand auf der Grundlage der Manuskripte zu den Lehrveranstaltungen Rechnertechnik im Studiengang Informatik und Analoge und digitale Schaltungen im Studiengang Elektrotechnik/Automatisierungstechnik an der Technischen Universität Ilmenau, die seit Jahren vom Autor als Lehrbeauftragter wahrgenommen werden. Das Script stellt in der vorliegenden Form bewußt eine teilweise erweiterte Fassung des Inhaltes der Lehrveranstaltung Analoge und digitale Schaltungen (Teil Digitale Schaltungen) im Studiengang Elektrotechnik/Automatisierungstechnik dar. Dem interessierten Studierenden wird damit die Möglichkeit gegeben, sich mit der Hardwareproblematik über den in Vorlesung, Übung und Praktikum vermittelten Stoff hinaus eigenständig zu beschäftigen. Das Script wird ergänzt durch eine umfangreiche Sammlung von Übungsaufgaben zur Berechnung digitaler Grundschaltungen sowie Anleitungen zu Praktikumsversuchen mit Entwurfswerkzeugen zur Circuitsimulation (PSPICE). Ilmenau, im Oktober 2003