1.8 Grundlagen der Digitaltechnik

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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
Informatik V, Kap. 8, WS 98/99 Ansteuerung Ansteuerung Ausgang Ausgang VDD GND VDD GND Abb. 8.4a: Transistoren in einer Digitalschaltung als aktive Schalter Idealerweise arbeitet eine digitale Schaltungstechnik mit solchen aktiven Schaltern, wie es die heute absolut dominierende CMOS-Technik tut. Ältere MOS-Techniken und alle bipolaren Logiken arbeiten mit nur einer Art aktiver Schalter. Dann werden zusätzlich auch Transistoren verwendet, die durch entsprechende Beschaltung als Widerstände wirken. R Ansteuerung Ausgang 3 VDD GND Abb. 8.4 b: Digitalschaltung mit passivem Pull-up-Element und einseitigem aktivem Schalter Technologien mit passivem "Pull-up-Element" gegen VDD haben den Nachteil, daß im "low" - Zustand (und bei manchen Technologien sogar im high-und im low-Zustand) selbst bei Ruhe der Schaltung ein Querstrom fließt. Wegen des Leistungsverbrauchs und damit verbundener Probleme der höheren Wärmebelastung im Schaltkreis eignen sich nur Technologien mit zwei aktiven Schaltern für die Großintegration. Man kann aber auch Transistoren als nicht-ideale Schalter in einem Modus einsetzen, in dem sie Signale entweder sperren oder weiterleiten. Man spricht dann von "Pass-Transistoren" oder, wenn ein p.Kanal und ein n-Kanal-Transistor parallelgeschaltet werden, von "transmission gates". Solche Schalter sind zwar platzsparend implemen-tierbar, sie leisten aber keine Regenerierung der Signale, sondern bewirken eine Abschwächung. Der Grund liegt darin, daß die auf Durchlaß geschalteten Transistoren natürlich immer noch einen endlichen Restwiderstand aufweisen. Zusammen mit der kapazitiven Belastung ergibt sich daraus ein Tiefpaß. Nach einigen solcher Stufen (meistens mx. 2 bis 3) muß ein Signal deshalb stets wieder durch eine "aktive" Gatterschaltung regeneriert werden
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