1.8 Grundlagen der Digitaltechnik

Informatik V, Kap. 8, WS 98/99
Auf integrierten Schaltungen sind solche Konstrukte kaum verwendbar: Man kann dort die
notwendigen großen Werte der Kopplungs-Kapazitäten (100 Mikrofarad und mehr) nicht realisieren,
auch schwebende (also nicht einseitig an Masse abgeschlossene) Kapazitäten sind schwer zu
realisieren.
Deshalb sind mehrstufige Schaltungen, wenn sie auf dem IC realisiert werden, fast immer direkt
gekoppelt und können auch Gleichspannungen übertragen.
Generell wird der einzelne Transistor in der Analogtechnik aber ein möglichst linearer Verstärker
sein sollen. Wir werden uns in dieser Vorlesung nur ganz am Rande mit analoger Schaltungstechnik
beschäftigen. Das kann (und tun) der Lehrstuhl Mikroelektronik (Prof. Falter).
Diese Linearität ist in der Digitaltechnik weder erwünscht noch günstig. Dort kommt es vielmehr
darauf an, daß stets definierte High- bzw. Low-Pegel vorhanden sind und die Übergänge dazwischen
möglichst schnell stattfinden. Eine digitale Verstärkerstufe soll außerdem in der Lage sein, Signale zu
regenerieren, also aus einem langsamen high / low oder low / high - Zustandsübergang einen
schnelleren mit steileren Flanken zu erzeugen. Dazu benötigt auch die digitale Schaltstufe eine hohe
Verstärkung. Hat z. B. das Gatter G3 eine Spannungsverstärkung von 10, so wird es bereits
Ausgangssignale von 0,5 V des Gatters G1 auf einen Ausgangswert von 5V verstärken und
dementsprechend eine steile Übergangsflanke erzeugen.
Bei einer Verstärkung von 10, einer Versorgungsspannung von 5 V und einer Eingangsspannung
über 0,5 V wird aber bereits eine Zustand der Sättigung erreicht, das Gatter wird in seinem
Ausgangspegel begrenzt, seine aktiven Transistoren geraten in den Zustand der "Sättigung".
u (t)
G1
G2
G3
Ausgangssignal
G3
regeneriertes
Signal
Abb. 8.3: Mehrstufige Digitalschaltung und Signalregenerierung
Im (nicht realistischen) Idealfall hat ein digitales Signal senkrechte Flanken. Läßt man den Aspekt der
Regenerierung außer Betracht, dann kann ein Transistor in einer Digitalschaltung als Schalter
idealisiert werden, der nur die Zustände "on " (leitend) und "off" (nicht leitend) kennt.
Diese Abstraktion ist in der Digitaltechnik durchaus gebräuchlich. Allerdings sind Transistoren nur
als spezielle Schalter verwendbar:
Ein pnp - oder ein p-Kanal-MOS- Transistor eignet sich dazu, einen internen Schaltungsknoten mit
der Betriensspannung zu verbinden, während ein n-Kanal MOS-Transistor oder eine npn-Transistor
einen Schaltungsknoten mit dem Masse-Anschluß verbindet.
2
G5
t