Digitale Schaltungstechnik

Transkript

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2 Ralph WeiBel- Franz Schubert Digitale Schaltungstechnik Mit 245 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong 1990

3 Prof. Dr.-Ing. Ralph WeiBel Prof. Dr.-Ing. Franz Schubert Fachhochschule Hamburg Fachbereich Elektrotechnik Berliner Tor Hamburg 1 CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Weisse I, Ralph: Digitale Schaltungstechnik / Ralph Weissel ; Franz Schubert.- Berlin; Heidelberg; New York ; London; Paris; Tokyo; Hong Kong: Springer, 1990 ISBN-13: e-isbn-13: DOl: / NE: Schubert, Franz: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der VervieWiltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfliltigung dieses Werkes odervonteilen dieses Werkes istauch im Einzelfall nurin den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland yom 9. September 1965 in derjeweils geltenden Fassung zuliissig. Sie istgrundsiitzlich vergiitungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Straibestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1990 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wiiren und daher von jederrnann benutzt werden diirften. Sollte in diesem Werk direkt oderindirekt aufgesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewiihr flir Richtigkeit, Vollstiindigkeit oder Aktualitiit iibemehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls flir die eigenen Arbeiten die vollstiindigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. 2068/ Gedruckt auf siiurefreiem Papier

4 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 Schaltungssimulation 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

5 Inhaltsverzeichnis 1. Elnleltung 1.1 Digitale Schaltungen 1.2 Analoge und digitale Signale Definltlonen und KenngroBen der I rnpulstechnlk 2.1 Formen und KenngroBen von Impulsen 2.2 Impulsfunktionen Impulsverhalten passiver Zweitore Schalter-Kondensator-Technik Elektronlsche Schalter 3.1 PN- und Schottky-Dioden Statisches Verhalten von Dioden. Dynamisches Verhalten von Dioden Schottky-Dioden 3.2 Diodenschaltungen Der Transistor als Schalter.... Strom- und Spannungsschalter Inverter mit BipolartransistOf"~ Gesattigte Transistorinverter Schalten kapazitiver Lasten Schalten induktiver Lasten. Gegentakttr ans istorschalter Transistorschaltzeiten... MaBnahmen zur Verringerung von Schaltzeiten MOS-Feldeffekttransistoren NMOS- und CMOS-Inverter Statisches Verhalten von MOS-Invertern Schaltverhalten von MOS-Invertern... Digitale Torschaltungen ( Transmission-Gates Getaktete CMOS-Schaltungen

6 VII 3.7 Charakteristische GrbBen Eingangs- und AusgangsgrbBen..., Pegelgrenzen. Stbrabstande und Ubertragungskennlinien Ausgangsstufen Verlustleistung. Durchlaufverzbgerungszeit und GUtemaB DIgltale Schaltkreisfarnilien 4.1 Grundschaltungen mit Bipolar- und Feldeffekttransistoren 4.2 Transistor-Transistor-Logik (TTL) KenngrbBen und Schaltungsberechnung von Standard-TTL -Schaltungen.... Schaltungen mit Schottky-Transistoren (LS. S. ALS. AS und FAST) Emittergekoppelte Logik (ECL) Integrierte Injektionslogik (l 2 U. MOS-Logik (NMOS und CMOS) GrbBtintegration..... BICMOS-Logik.... Galiiumarsenid-MESFET -Logik S. Kippschaltungen und Speicher 5.1 Operationsverstarker als nichtlineares Schaltelement Funktion und KenngrbBen 5.2 Pegelgesteuerte Kippschaltungen Komparatoren Schmitt-Trigger Astabile Kippschaltungen Astabile Kippschaltungen mit Schmitt-Trigger Astabile Kippschaltungen mit Invertern 5.4 Monostabile Kippschaltungen Monoflops mit NAND-Schaltungen Monoflops mit NOR-Schaltungen 5.5 Zeitgeberschaltungen (Timer) 5.6 Bistabile Kippschaltungen 5.7 Speicherschaltungen Statische Speicher Dynamische Speicher S. Interface-Schaltungen 6.1 Pegelumsetzer Leistungsstufen Busschaltungen und Leitungstreiber 6.4 Optokoppler

7 VIII 7. Analog/,Dlgltal- und Digital/, Analog UrTlsetzer 7.1 Grundlagen der Umsetzung KenngroBen von Signalumsetzern.... Schaltungen zur analogen Signalaufbereitung und -verarbeitung Verfahren und Schaltungen der DI A-Umsetzung.... DI A-Umsetzer mit gleichen WidersUinden oder Stromquellen.... DI A-Umsetzer mit gewichteten Widerstanden oder Stromquellen.... DI A-Umsetzer mit Ladungssteuerung ( Zahlverfahren ) Verfahren und. Schaltt.Jngender A/D-Umsetzung Parallelumsetzer Kaskaden-A/D-Umsetzer Serielle A/D-Umsetzer A/D-Umsetzer mit Rampenverfahren s. Anhang 8.1 Schaltungsberechnungen mit SPICE. 8.2 Modelldaten fur SPICE.... Llteratur.... Sachverzelchnls