Ralph WeiBel- Franz Schubert Digitale Schaltungstechnik Mit 245 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong 1990
Prof. Dr.-Ing. Ralph WeiBel Prof. Dr.-Ing. Franz Schubert Fachhochschule Hamburg Fachbereich Elektrotechnik Berliner Tor 3 2000 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: 978-3-540-52418-2 e-isbn-13: 978-3-642-97247-8 DOl: 10.1 007/978-3-642-97247-8 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. 2068/30201543210 - Gedruckt auf siiurefreiem Papier
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
Inhaltsverzeichnis 1. Elnleltung 1.1 Digitale Schaltungen 1.2 Analoge und digitale Signale 1 1 2 2. Definltlonen und KenngroBen der I rnpulstechnlk 2.1 Formen und KenngroBen von Impulsen 2.2 Impulsfunktionen.......... 2.3 2.4 Impulsverhalten passiver Zweitore Schalter-Kondensator-Technik... 5 5 8 11 20 3. Elektronlsche Schalter 3.1 PN- und Schottky-Dioden.... 3.1.1 3.1.2 3.1.3 Statisches Verhalten von Dioden. Dynamisches Verhalten von Dioden Schottky-Dioden 3.2 Diodenschaltungen.... 3.3 3.3.1 Der Transistor als Schalter.... Strom- und Spannungsschalter 3.4 3.4.1 Inverter mit BipolartransistOf"~.. 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.5 3.6 3.6.1 3.6.2 3.6.3 3.6.4 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......... 22 22 22 27 28 29 30 32 35 36 40 44 49 54 57 61 74 74 85 90 92
VII 3.7 Charakteristische GrbBen... 95 3.7.1 Eingangs- und AusgangsgrbBen...,... 95 3.7.2 Pegelgrenzen. Stbrabstande und Ubertragungskennlinien 100 3.7.3 Ausgangsstufen....................... 102 3.7.4 Verlustleistung. Durchlaufverzbgerungszeit und GUtemaB 104 4. DIgltale Schaltkreisfarnilien 4.1 Grundschaltungen mit Bipolar- und Feldeffekttransistoren 4.2 Transistor-Transistor-Logik (TTL).... 4.2.1 KenngrbBen und Schaltungsberechnung 4.3 4.2.2 4.4 4.5 4.5.1 4.6 4.7 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 106 106 108 109 114 121 125 127 137 140 141 S. Kippschaltungen und Speicher 5.1 Operationsverstarker als nichtlineares Schaltelement. 5.1.1 Funktion und KenngrbBen 5.2 Pegelgesteuerte Kippschaltungen 5.2.1 Komparatoren... 5.2.2 Schmitt-Trigger....... 5.3 Astabile Kippschaltungen..... 5.3.1 Astabile Kippschaltungen mit Schmitt-Trigger 5.3.2 Astabile Kippschaltungen mit Invertern 5.4 Monostabile Kippschaltungen....... 5.4.1 Monoflops mit NAND-Schaltungen 5.4.2 Monoflops mit NOR-Schaltungen 5.5 Zeitgeberschaltungen (Timer) 5.6 Bistabile Kippschaltungen 5.7 Speicherschaltungen... 5.7.1 Statische Speicher.. 5.7.2 Dynamische Speicher. 145 146 147 154 154 155 161 161 163 171 171 173 176 182 184 185 188 S. Interface-Schaltungen 6.1 Pegelumsetzer.... 6.2 Leistungsstufen.... 6.3 Busschaltungen und Leitungstreiber 6.4 Optokoppler.... 190 190 198 203 208
VIII 7. Analog/,Dlgltal- und Digital/, Analog UrTlsetzer 7.1 Grundlagen der Umsetzung.... 7.2 7.3 7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.5 7.5.1 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... 7.5.2 Kaskaden-A/D-Umsetzer 7.5.3 Serielle A/D-Umsetzer.. 7.5.4 A/D-Umsetzer mit Rampenverfahren s. Anhang 8.1 Schaltungsberechnungen mit SPICE. 8.2 Modelldaten fur SPICE.... Llteratur.... Sachverzelchnls 214 214 219 224 231 232 234 238 241 241 243 244 247 251 251 253 256 260