Digitaltechnik_Skript.pdf

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Grundlagen der
Digitaltechnik
Skriptversion 1.3
18. März 2014
FH Aachen
FB5 Elektrotechnik und Informationstechnik
Lehrgebiet Hoch- und Hoechstfrequenztechnik
Prof. Dr.-Ing. H. Heuermann
Mitarbeiter: Raphael Hübner und Sabit Yazici
Realisiert durch die Studiengebühren und QV-Mitteln
IV
Autor:
Prof. Dr.-Ing. Holger Heuermann
Lehrgebiet für Hoch- und Höchstfrequenztechnik
4. korrigierte und erweiterte Auflage 03.2014
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© by Prof. H. Heuermann 2014
Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
V
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
1.1
1.2
Ziele der Vorlesung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Physikalische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
Internationales Einheitensystem (SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Beispiele abgeleiteter Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wichtige Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umrechnung auf andere Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1
2
2
3
4
4
5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
6
7
8
8
9
2 Grundlagen der Elektrotechnik
2.1
Grundgrößen der Elektrotechnik
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.3.4
2.3.5
2.3.6
Die elektrische Ladung
Q
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Der elektrische Strom
I
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die elektrische Spannung
U
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ladung auf Nichtleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ladung auf Elektroden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das elektrische Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kapazität und Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Anwendungsbeispiel der TI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Widerstand und Leitwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Serienwiderstand und Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Parallelwiderstand und Stromteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Kirchhhoffsche Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
21
Ohmsches Gesetz und Stromkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Logische Grundfunktionen der Digitaltechnik
3.1
Die logischen Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
VI
3.2
3.3
Inhaltsverzeichnis
Aufstellung logischer Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1
Das Karnaugh-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Abgeleitete Grundfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
31
4 Elektronische Schaltnetzwerke
4.1
Elektronische Schalter
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.1.5
4.2
4.2.1
4.2.2
4.2.3
Der ideale Schalter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Der reale Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Der Schaltinverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Schaltnetzwerke mit Einheits-Schaltern . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Schaltnetzwerke mit komplementären Schaltern . . . . . . . . . . . . 37
Schaltungstechnische Grundlagen zur Diode . . . . . . . . . . . . . . 39
Schaltungstechnische Grundlagen zu Bipolartransistoren . . . . . . . 40
Transistor-Transistor-Logik (TTL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.3.1
4.2.3.2
Open-Collector-Ausgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Tristate-Ausgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Schaltungstechnische Realisierung mit Bipolartransistoren . . . . . . . . . . 39
4.3
4.4
4.5
4.6
Schaltungstechnische Realisierung mit MOS-Transistoren . . . . . . . . . . . 47
4.3.1
Aufbau der MOS-Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Schaltverhalten von CMOS-Invertern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
CMOS-Transmission-Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Elektronische Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.6.1
4.6.2
4.6.3
4.6.4
4.6.5
Grundschaltungen der Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . 61
Gleichtakt- und Differenzverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Grundlagen der Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Digital-/Analog-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Analog/Digital-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Das RS-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Das statische D-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Das dynamische D-FF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
N-Bit Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Das JK-Flip-Flop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
79
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.7
CMOS-Schaltwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.7.1
4.7.2
4.7.3
4.7.4
4.7.5
5 Digitale Speicher
5.1
Der Nur-Lese-Speicher (ROM)
5.1.1
Dekoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Inhaltsverzeichnis
5.1.2
5.1.3
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
VII
Das Speicherfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Gesamtarchitektur eines ROMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
. . . . . . . . . . . . . 84
Das EPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Elektrisch umprogrammierbare Speicher(EEPROM)
Statische Speicher
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Dynamische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Magnetspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Optische Speicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
95
6 Highspeed-Datentransfer
6.1
6.2
Übertragungskennlinien des Differenzverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Emittergekoppelte Logik (ECL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.2.1
Übertragungskennlinie des npn-Differenzverstärkers . . . . . . . . . . 98
6.2.1.1
6.2.1.2
PECL-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
NECL-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3
6.4
Current Mode Logik (CML) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.3.1
6.4.1
6.4.2
CML-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Architekturen von Übertragungsstrecken . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Differentielle Übertragungsleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Datenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.5
6.6
Augendiagramme und BER-Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Modernste CML-Gatterbausteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
121
7 Der Mikrocomputer
7.1
7.1.1
7.1.2
Der Mikroprozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Rechenwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Arithmetische Operationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

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