E. Elektronische Grundlagen E.1. Einordnung · Set Reset Q Q-quer Reaktion auf (Set,Reset)
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Elektronik:
Architektur: - Rechnerarchitektur, Instruktionssatz, Assembler
Systemprogrammierung: - Betriebssystemkonzepte, E/A-Geräte, Treiber ...
„Höhere Informatik“: - Programmierung,, Datenbanken, Verteilte Systeme, Theorie ...
Digitaltechnik: - Rechnerarithmetik, Schaltwerke, Logik ...
Elektronik: - Strom & Spannung, Transistoren, Gatter, ICs
B D
G
EF
C
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E. Elektronische Grundlagen
E.1. Einordnung
Lernziele:Elektrischer Stromfluss & Spannung. Logische Gatterfunktionen.Dioden & Diodengatter.Transistorstufen.
E-1 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, ©VS Informatik, Ulm
E.2. Halbleiterdiode
E.2.1 Ladung, Strom, SpannungElektrische 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, ...).
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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:
Ohmsches Gesetz: Spannung U = Strom I × Widerstand R
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Spannungs-quelle Lichtquelle,
Lastwiderstand
E.2.2 Diode als Bauteilspezielles 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:
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E.2.3 Digitale DiodenschaltungenAbbildung der Wahrheitswerte (positive Logik):
1: positive Spannung (z.B. +5 Volt)0: keine Spannung
Einfaches ODER-Gatter:
Y = A + B
Einfaches UND-Gatter:
Y = A · B
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Y B
A
0 Volt
+5 Volt
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:
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E.3.1 Transistor als Schalter und VerstärkerDiodengatter 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
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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 durcham Ausgang liegt nur geringe Spannung an (logisch 0).
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-5 Volt / Vcc
Ausgang
O Volt/ Ground
Eingang1
10
0
Schaltsymbol für OR
Schaltsymbol für AND
E.3.3 NOR GatterLogische Funktion:
Ausgang = NOT ( Eingang-X OR Eingang-Y),bzw. Ausgang = Eingang-X NOR Eingang-Yauch n-wertig: Ausgang = NOR( x1, x2, x3, ...)
Wahrheitstabelle:Eingang-X 0 0 1 1Eingang-Y 0 1 0 1Ausgang 1 0 0 0
Transistorschaltung:
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-5 Volt / Vcc
Ausgang
O Volt/ Ground
Eingang-X
Eingang-Y
Schaltsymbol für NOR
Schaltsymbol für NAND
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.
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E.4.1 TTL-SchaltkreiseBeispiel: 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.
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E.5. MOS-Feldeffekttransistor
Unterscheiden vom bipolaren Transistor.
MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor, Metall-Oxid-Halbleiter):G - Gate als SteuerelektrodeB – Bulk als Substratanschluss,D – Drain, Abfluss für Ladungsträger,S – Source, Quelle von negativen LadungsträgernP – 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,Dadurch entsteht ein leitender Kanal.
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p n n
D
G S
B
+ + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
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:
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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.
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Versorgungsspannung:kann in weiten Grenzen schwanken,Niedrigvolt-Betrieb (0,8 Volt ...),TTL-kompatible Pegel möglich:
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.
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Unzulässiger Bereich
E.6. Einstellige Speicherschaltung bzw. Flip-Flop
E.6.1 Zusammensetzung aus 2 NOR SchaltkreisenAusgangssignale:
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):
Set Reset Q Q-quer Reaktion auf (Set,Reset)<=(0,0)0 0 Q-alt Not Q Halten0 1 0 1 Zurücksetzen1 0 1 0 Setzen1 1 0 0 Zufällig (1,0) oder (0,1)
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Q-quer
Reset
Set
E.7. Addierschaltung
E.7.1 Addierschaltkreis für zwei 8-Bit Operanden8 kaskadierte 1-Bit Addierer:
Übertragsfortpflanzung zur nächsthöheren Stufe,2 Eingangsregister, 1 Resultatregister.
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A7
B7
ADD
S7
A6
B6
ADD
S6
A1
B1
ADD
S1
A0
B0
ADD
S0
A5
B5
ADD
S5
Carry1
E.7.2 Halbaddierer ohne ÜbertragseingangEingangssignale:
A linkes Operandenbit,B rechtes Operandenbit.
Ausgangssignale:xor = exclusives Oder,Sum – Summenbit für Resultat (A xor B),Carry – Übertrag zur Folgestufe.
Zustandmatrix:
A B Sum Carry0 0 0 0 0 1 1 01 0 1 01 1 0 1
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xor
Carry
Sum
A
B
E.7.3 Volladdierer mit ÜbertragsweitergabeAddiert zwei einstellige Binärzahlen (A,B) mithilfe von 2 Halbaddierern (HA).Berücksichtigt auch den Übertrag von einer früheren Stufe.
An Bn Carryn-1 Sumn Carryn An Bn Carryn-1 Sumn Carryn
0 0 0 0 0 1 0 0 1 0
0 0 1 1 0 1 0 1 0 1
0 1 0 1 0 1 1 0 0 1
0 1 1 0 1 1 1 1 1 1
E-19 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, ©VS Informatik, Ulm
HA
HA
&S
SumnCarryn-1
Bn
An CLCarryn
CR
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.
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Zeit t
Takt
+-