E. Elektronische Grundlagen

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1 E. Elektronische Grundlagen E.1. Einordnung Lernziele: Elektrischer Stromfluss & Spannung. Logische Gatterfunktionen. Dioden & Diodengatter. Transistorstufen. Höhere Informatik : - Programmierung,, Datenbanken, Verteilte Systeme, Theorie... Systemprogrammierung: G - Betriebssystemkonzepte, E/A-Geräte, Treiber... H B C Architektur: - Rechnerarchitektur, Instruktionssatz, Assembler D E Elektronik: - Strom & Spannung, Transistoren, Gatter, ICs Digitaltechnik: - Rechnerarithmetik, Schaltwerke, Logik... Elektronik: F E-1 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

2 E.2. Halbleiterdiode E.2.1 Ladung, Strom, Spannung Elektrische Ladung [Coulomb]: Eigenschaft von Elementarteilchen, Positive oder negative Ladung möglich, Elektronen tragen eine negative Ladung, Gleiche Ladungen stossen sich ab. Elektrischer Strom [Ampère, Coulomb/sec]: Transport elektrischer Ladung durch einen Querschnitt => im Vakuum oder durch einen Leiter (Draht), Bewegung positiver Ladungsträger ist positiv, Elektronen bewegen sich entgegen der Stromrichtung. Materialien: Isolator: keine freien Elektronen, Leiter: viele freie Elektronen können fließen, Halbleiter: wenig freie Elektronen (Ge, Si,...). E-2 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

3 Batterie und Spannung [Volt]: Am Minuspol besteht ein negativer Ladungsüberschuss, Am Pluspol besteht ein positiver Ladungsüberschuss, konzeptionell: Strom fließt von Plus nach Minus physikalisch: Elektronen fließen von Minus nach Plus Stromkreis: Ein Strom fließt nur bei geschlossenem Stromkreis: Spannungsquelle Lichtquelle, Lastwiderstand Ohmsches Gesetz: Spannung U = Strom I Widerstand R E-3 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

4 E.2.2 Diode als Bauteil spezielles Bauteil mit zwei Anschlüssen (Di-ode), Strom kann nur in einer Richtung durch die Diode fließen, Aufbau früher als Röhrendiode: Glaskolben mit Vakuum, Aufbau heute als Halbleiterdiode. Durchlassrichtung: Sperr-Richtung: E-4 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

5 E.2.3 Digitale Diodenschaltungen Abbildung der Wahrheitswerte (positive Logik): 1: positive Spannung (z.b. +5 Volt) 0: keine Spannung Einfaches ODER-Gatter: +5 Volt Y = A + B A B Y 0 Volt Einfaches UND-Gatter: Y = A B E-5 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

6 E.3. Transistor Halbleiterbauteil mit drei Anschlüssen (z.b. bipolare Transistoren): Vorerst wirkt ein Transistor wie zwei entgegengesetzt gepolte Dioden und sperrt. durch geringen Basis-Strom wird Transistor zwischen Collector & Emitter leitend. Schaltungssymbol für Transistor: Transistoren im Gehäuse: E-6 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

7 E.3.1 Transistor als Schalter und Verstärker Diodengatter nicht beliebig kaskadierbar (keine Verstärkung). Eine Transistorstufe bietet jedoch eine zusätzliche Verstärkung: Nur das logische Signal wird verstärkt, die Energie kommt aus der Batterie. Invertierung des logischen Signals (NOT) am Lastwiderstand, großer Ausgangsstrom zwischen Collector und Emitter, Verstärkung zwischen Basis- und Collector-Kreis, Basisvorwiderstand zur Strombegrenzung, Kleiner Schaltstrom an der Basis E-7 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

8 E.3.2 Einfacher Inverter (wichtig!) Transistor aus: liegt Masse/Ground (logisch 0) am Eingang an, so sperrt der Transistor, am Ausgang liegt fast vollständige Versorgungsspannung VCC (logisch 1). Transistor ein: liegt Versorgungsspannung (logisch 1) am Eingang schaltet Transistor durch am Ausgang liegt nur geringe Spannung an (logisch 0). -5 Volt / Vcc Eingang 1 0 Ausgang 0 1 O Volt/ Ground E-8 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

9 E.3.3 NOR Gatter Logische Funktion: Ausgang = NOT ( Eingang-X OR Eingang-Y), bzw. Ausgang = Eingang-X NOR Eingang-Y auch n-wertig: Ausgang = NOR( x1, x2, x3,...) Wahrheitstabelle: Eingang-X Eingang-Y Ausgang Schaltsymbol für NOR Schaltsymbol für NAND Transistorschaltung: -5 Volt / Vcc Schaltsymbol für OR Eingang-X Ausgang Eingang-Y O Volt/ Ground Schaltsymbol für AND E-9 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

10 E.4. TTL - Transistor-Transistor Logik. Gatteraufbau nur mit bipolaren Transistoren. Traditionell hohe Schaltgeschwindigkeiten und Arbeitstakt. Vergleichsweise niedrige Integrationsdichte. Eingangspegel: 0-0,8 Volt logisch 1, 2,4-5,0 Volt logisch 0, 0,8 2,4 Volt unzulässig. Ausgangspegel: 0-0,4 Volt logisch 1, 2,8-5,0 Volt logisch 0, 0,4 2,8 Volt unzulässig. E-10 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

11 E.4.1 TTL-Schaltkreise Beispiel: Baustein 7400 vier NAND-Gatter mit je 2 Eingängen, Sicht von oben auf Schaltkreis, -5 Volt Stromversorgung. Blick auf das Siliziumsubstrat: planare Transistorstrukturen, Goldkontaktierung, Substratkontakt, Leiterbahnen. E-11 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

12 E.5. MOS-Feldeffekttransistor Unterscheiden vom bipolaren Transistor. MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor, Metall-Oxid-Halbleiter): G - Gate als Steuerelektrode B Bulk als Substratanschluss, D Drain, Abfluss für Ladungsträger, S Source, Quelle von negativen Ladungsträgern P Halbleitersubstrat meist mit Source verbunden. gelb - Siliziumoxid als Isolator zw. Gate & Substrat. Funktionsweise: wegen isolierter Gate-Elektrode fliesst kein Basisstrom, MOS-Transistor zunächst gesperrt (selbstsperrend), zwischen Drain und Source hoher Widerstand, Positive Gate-Spannung holt Ladungsträger, S Dadurch entsteht ein leitender Kanal. B n G p n D E-12 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

13 Vorteile: leistungsloser Betrieb, nur das Umschalten kostet Energie, Leistungsaufnahme von Umschaltfrequenz abhängig, elektrisches Feld besteht ohne Stromfluss (nur Spannung), lediglich Umschalten erfordert Wechsel der Ladungszustände. Schaltsymbole für n-kanal MOS-FET: selbstsperrend, selbstleitend: Schaltsymbole für p-kanal MOS-FET: selbstsperrend, selbstleitend: E-13 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

14 E.5.1 CMOS-Schaltung = Complementary Metal Oxide Semiconductor. komplementär symmetrischer MOS-Halbleiter-Schaltkreis. Selbstsperrende n- und p-kanal MOS-FETs Beispiel: NOT-Gatter: einer der Transistoren ist immer gesperrt, kaum Stromfluss durch beide Transistoren, Umladung parasitärer Kondensatoren, niedrige Leistungsaufnahme. E-14 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

15 Versorgungsspannung: kann in weiten Grenzen schwanken, Niedrigvolt-Betrieb (0,8 Volt...), TTL-kompatible Pegel möglich: Unzulässiger Bereich CMOS-Schaltungen sind empfindlich gegen Überspannungen: Evtl. Schutzschaltungen an den Eingängen integrierter CMOS-Bausteine, Destruktive Entladungen beim Handhaben der Schaltkreise, Aufladungen durch Reibungselektrizität vermeiden, Erdung und leitende Fussmatte, Antistatische Verpackung... Für hochintegrierte Schaltkreise heute bevorzugt. E-15 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

16 E.6. Einstellige Speicherschaltung bzw. Flip-Flop E.6.1 Zusammensetzung aus 2 NOR Schaltkreisen Ausgangssignale: Q entspricht dem gespeicherten Bit, Q ist zumeist das Komplement von Q. Eingangssignale: Reset setzt Q auf logisch Null, Set speichert eine 1. Zustandsmatrix (mit Gedächtnis): Reset Set Q Q-quer Set Reset Q Q-quer Reaktion auf (Set,Reset)<=(0,0) 0 0 Q-alt Not Q Halten Zurücksetzen Setzen Zufällig (1,0) oder (0,1) E-16 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

17 E.7. Addierschaltung E.7.1 Addierschaltkreis für zwei 8-Bit Operanden 8 kaskadierte 1-Bit Addierer: Übertragsfortpflanzung zur nächsthöheren Stufe, 2 Eingangsregister, 1 Resultatregister. A 7 A 6 A 5 A 1 A 0 B 7 B 6 B 5 B 1 B 0 ADD ADD ADD ADD ADD Carry 1 S 7 S 6 S 5 S 1 S 0 E-17 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

18 E.7.2 Halbaddierer ohne Übertragseingang Eingangssignale: A linkes Operandenbit, B rechtes Operandenbit. Ausgangssignale: xor = exclusives Oder, Sum Summenbit für Resultat (A xor B), Carry Übertrag zur Folgestufe. Zustandmatrix: A B xor Carry Sum A B Sum Carry E-18 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

19 E.7.3 Volladdierer mit Übertragsweitergabe Addiert zwei einstellige Binärzahlen (A,B) mithilfe von 2 Halbaddierern (HA). Berücksichtigt auch den Übertrag von einer früheren Stufe. B n A n C L Carry n HA S C R & Carry n-1 HA Sum n A n B n Carry n-1 Sum n Carry n A n B n Carry n-1 Sum n Carry n E-19 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm

20 E.8. Taktgeber Taktgeber wofür? Übergang von einem Maschinenzustand zum nächsten, Warten zwischen sukzessiven Speichervorgängen, Ende einer Rechenoperation abwarten, Ende einer Instruktion abwarten. Realisierung als rückgekoppelter Verstärker/Gatter: Taktperiode ergibt sich aus der Entladungskurve des Kondensators, Sehr hohe Verstärkung des Differenzsignales am Eingang. Takt + - Zeit t E-20 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, VS Informatik, Ulm