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 E F C H 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

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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

H

E. Elektronische Grundlagen

E.1. Einordnung

Lernziele:Elektrischer Stromfluss & Spannung. Logische Gatterfunktionen.Dioden & Diodengatter.Transistorstufen.

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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)

E-16 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, ©VS Informatik, Ulm

QQ

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.

E-17 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, ©VS Informatik, Ulm

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

E-18 Technische Informatik 1, Sommer 2008, P. Schulthess & F. Hauck, ©VS Informatik, Ulm

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

+-