Literaturliste zum

Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Informatik und Automatisierung
Institut für Technische Informatik und Ingenieurinformatik
Lehrgebiet Methodik des Hardwareentwurfs
Script zur Lehrveranstaltung
Analoge und Digitale Schaltungen
Studiengang Elektrotechnik/Automatisierungstechnik
Teil: Digitale Schaltungen
von Dr.-Ing. Norbert Hirt
Digitale Schaltungen
Inhalt
Einleitung
1.
Elektronische Bauelemente
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2.
Elektronische Schalter
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
(42 Seiten)
Widerstände
1.1.1
Lineare Widerstände
1.1.2
Fotowiderstände
1.1.3
Nichtlineare Widerstände
1.1.3.1 Varistoren
1.1.3.2 Heißleiter (NTC-Widerstände, Thermistoren)
Kondensatoren
Induktivitäten (Übertrager, Relais)
Halbleiterdioden
1.4.1
Universal- und Schaltdioden
1.4.1.1 Statisches Verhalten
1.4.1.2 Statische Kennwerte
1.4.1.3 Dynamische Kennwerte
1.4.2
Z-Dioden
1.4.2.1 Kennlinie und Kennwerte
1.4.2.2 Anwendungsschaltungen mit Z-Diode
Bipolartransistoren
1.5.1
Statische Eigenschaften, Ersatzschaltungen und Kennwerte
1.5.2
Bipolartransistor in Analogschaltungen (Verstärker)
1.5.2.1 Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung
1.5.2.2 Driftverhalten
1.5.2.3 Schaltungen zur AP-Stabilisierung
1.5.3
Transistor in Digitalschaltungen
1.5.3.1 Statisches Verhalten
1.5.3.2 Zur statischen Bemessung von Transistor-Schaltstufen
1.5.3.3 Schaltzeiten des Transistorschalters
Feldeffekttransistoren (FET, unipolare Transistoren)
1.6.1
Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (MOSFET)
1.6.2
Sperrschicht-FET
1.6.3
Statisches Verhalten von MOSFET
1.6.3.1 Ausgangskennlinienfeld
1.6.3.2 Ersatzschaltbild und Kennliniengleichungen
1.6.4
FET als steuerbarer Widerstand
1.6.5
Schaltstufen mit FET
1.6.6
Dynamisches Verhalten von FET-Schaltstufen
Schaltverhalten einfacher passiver Zweitore (Spannungsteiler)
1.7.1
Schaltverhalten ohmscher Spannungsteiler
1.7.2
Schaltverhalten von RC-Gliedern
1.7.3
Schaltverhalten einer Induktivität
1.7.4
Zur Lösung linearer Differentialgleichungen
Idealer und realer Schalter
2.1.1
Statisches Verhalten
2.1.2
Dynamisches Verhalten
Schaltstufen mit Transistoren
2.2.1
Schaltstufen mit Bipolartransistor
2.2.2
Schaltstufen mit Unipolartransistor
2.2.3
Zur statischen Dimensionierung
Lastverhalten von Transistorschaltstufen
2.3.1
Statische Lastschaltungen
2.3.2
Schalten kapazitiver Lasten
2.3.3
Schalten induktiver Lasten
Gegentaktschaltstufen
Ungesättigte Transistorschalter
(16 Seiten)
Digitale Schaltungen
3.
Logische Elemente und Schaltungen
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
4.
Logische Grundfunktionen
Signalpegel in logischen Schaltungen
3.2.1
Positive und negative Logik
3.2.2
Pegelbereiche und Übertragungskennlinie
Kenngrößen logischer Schaltungen
3.3.1
Statische Kennwerte
3.3.1.1 Spannungspegel, Störabstand
3.3.1.2 Eingangs- und Ausgangsströme, Lastfaktoren
3.3.1.3 Ausgangsstufen
3.3.2
Schaltzeiten
3.3.3
Verlustleistung
Schaltungstechnische Realisierung elektronischer Verknüpfungsglieder
3.4.1
Schaltungen in Kontakttechnik
3.4.2
Dioden- und Transistorschaltungen
3.4.2.1 Diodenschaltungen
3.4.2.2 Transistorschaltungen
Zum Entwurf logischer Schaltungen
3.5.1
Entwurfsdarstellung und -verifikation
3.5.2
Simulationsarten
3.5.2.1 Circuit-Simulation
3.5.2.2 Switch-Level-Simulation
3.5.2.3 Logik-Simulation
3.5.2.4 Mixed-Mode-Simulation
Digitale Schaltkreisfamilien
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
(20 Seiten)
Dioden-Transistor-Logik (DTL, DZTL)
TTL-Schaltkreise
4.2.1
Überblick
4.2.2
Schaltung des NAND-Gatters 7400
4.2.3
TTL-Schaltungen mit offenem Kollektor
4.2.4
TTL-Schaltungen mit Tristate-Ausgängen
4.2.5
TTL-Schaltungen mit Schottky-Transistoren (STTL)
4.2.6
Kennwerte von TTL-Schaltungen
4.2.6.1 Signalpegel und statischer Störabstand
4.2.6.2 Eingangs- und Ausgangsströme
4.2.6.3 Dynamische Kennwerte
ECL-Schaltkreise
4.3.1
Allgemeines
4.3.2
Grundschaltung in ECL
4.3.3
Logische Verknüpfung in ECL
Integrierte Injektions-Logik (I2 L)
4.4.1
Grundschaltung der I2 L-Logik
4.4.2
Logische Verknüpfung bei I2 L-Schaltungen
4.4.3
Verzögerungszeit bei I2 L
n-MOS-Schaltkreise
CMOS-Schaltkreise
4.6.1
CMOS-Grundschaltungen
4.6.2
Transmissionsgatter, Analogschalter
4.6.3
Tristate-Schaltungen in CMOS-Technik
4.6.4
Kennwerte von CMOS-Schaltkreisen
4.6.4.1 Eingangskennwerte
4.6.4.2 Ausgangsstufen und -kennwerte
4.6.5
High-speed-CMOS-Baureihe 74 HC / 74 HCT
BICMOS-Schaltkreisreihe 74 BCT
Gallium-Arsenid-MESFET-Schaltkreise
(28 Seiten)
Digitale Schaltungen
5.
Rückgekoppelte Kippschaltungen
5.1
5.2
5.3
5.4
6.
Kodier- und Dekodierschaltungen
6.1
6.2
7.
7.2
8.
8.3
8.4
8.5
8.6
( 6 Seiten)
Dualzähler
7.1.1
Asynchrone Dualzähler
7.1.2
Synchrone Dualzähler
Dezimalzähler
7.2.1
Asynchrone BCD-Zähler
7.2.2
Synchrone BCD-Zähler
Interface-Schaltungen
8.1
8.2
(10 Seiten)
Kodewandler
6.1.1
Allgemeine Kodewandler
6.1.2
Dekodierer (Decoder)
6.1.3
Kodierer
Multiplexer und Demultiplexer
6.2.1
Demultiplexer
6.2.2
Multiplexer
6.2.3
Anwendungen von Multiplexern und Demultiplexern
6.2.4
Multiplexer / Demultiplexer als Funktionsspeicher
6.2.4.1 Multiplexer als Funktionsspeicher
6.2.4.2 Demultiplexer als Funktionsspeicher
Zähler und Frequenzteiler
7.1
(20 Seiten)
Flipflop-Schaltungen
5.1.1
Basis-Flipflop
5.1.2
Taktgesteuerte Flipflops
5.1.3
Logisches Verhalten von Flipflops
5.1.4
Parallel- und Schieberegister
5.1.4.1 Parallelregister
5.1.4.2 Schieberegister
Schmitt-Trigger (Schwellwertschalter)
Monoflops
5.3.1
Monoflop mit Logikgattern
5.3.2
Retriggerbare Monoflops
Impulsgeneratoren (astabile Multivibratoren)
5.4.1
Impulsgeneratoren mit Gatterschaltkreisen
5.4.2
Quarzgeneratoren
Allgemeine Betrachtungen
Pegelwandler
8.2.1
Pegelumsetzung zwischen Logikpegeln
8.2.2
Umsetzung zwischen Logikpegel und V.24-Pegel
8.2.3
Dioden-Begrenzerschaltungen für LSI-Schaltkreise
Anzeigeelemente und ihre Ansteuerschaltungen
8.3.1
LED-Anzeigeeinheiten
8.3.2
Ansteuerschaltungen für LED-Anzeigen
Optokoppler
8.4.1
Grundtypen von Optokopplern
8.4.2
Ansteuerung von LED in optischen Sendern
Busschaltungen
8.5.1
Sender mit offenem Kollektor
8.5.2
Sender mit Tristate-Stufen
Zur worst-case-Bemessung digitaler Schaltungen
8.6.1
Totales Fehlerdifferential
8.6.2
Praktisches Verfahren der Worst-Case-Analyse
8.6.3
Ersatzschaltungen für Ein- und Ausgangsstufen integrierter Schaltkreise
8.6.3.1 Ersatzschaltungen für Eingangsstufen
8.6.3.2 Ersatzschaltungen für Ausgangsstufen
8.6.4
Beispiele zur worst-case-Bemessung
(24 Seiten)
Digitale Schaltungen
9.
Halbleiterspeicher
9.1
9.2
9.3
9.4
10.
Anwendungsspezifische Integrierte Bausteine (ASICs)
10.1
10.2
10.3
10.4
11.
11.3
11.4
11.5
12.
12.4
12.5
(10 Seiten)
Allgemeiner Überblick
Störungen durch Leitungsreflexionen
11.2.1 Elektrisch lange Leitung, Wellenwiderstand
11.2.2 Schaltverhalten elektrisch langer Leitungen
Symmetrische und unsymmetrische Signalübertragung
Störungen durch Übersprechen
Störungen durch die Induktivität der Stromversorgungsleitungen
Bussysteme, Schnittstellen
12.1
12.2
12.3
(18 Seiten)
Überblick
Programmierbare logische Schaltungen
10.2.1 Prinzip
10.2.2 Varianten von PLD-Bausteinen
10.2.3 Programmier- und löschbare PLDs
10.2.4 Programmierbare Gate Arrays
Pinout und Gehäuseformen von PLDs/FPGAs
Überblick über FPGA-Familien
Störeinflüsse bei der Datenübertragung
11.1
11.2
(12 Seiten)
Allgemeiner Überblick
Festwertspeicher, ROMs
9.2.1 Zur Einteilung von ROMs
9.2.2 Schaltungstechnische Realisierung der Speichermatrix
Schreib-Lese-Speicher (RWM, RAM)
9.3.1
Statische RAMs
9.3.1.1 Aufbau und Funktionsweise
9.3.1.2 Dynamische Kenngrößen statischer RAMs
9.3.2
Dynamische RAMs
Speicher mit seriellem Zugriff
Überblick
Parallele Bussysteme
Serielle Schnittstelle, serielle Datenübertragung
12.3.1 Serielle Datenübertragung
12.3.2 Asynchrone und synchrone Datenübertragung
Einheitliche serielle Schnittstellen
12.4.1 RS-232C-, V.24-Schnittstelle
12.4.2 Schnittstellen nach der RS-422/485-Norm
Schnittstellenvergleich
(14 Seiten)
Digitale Schaltungen
Literatur:
/ 1/
Seifart, M.: Digitale Schaltungen. Verlag Technik Berlin, 1988.
/ 2/
Tietze, U.; Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik.
Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1988.
/ 3/
Kühn, E.: Handbuch TTL- und CMOS-Schaltkreise. Verlag Technik Berlin, 1985.
/ 4/
Seifart, M.: Analoge Schaltungen. Verlag Technik Berlin, 1987.
/ 5/
Roth, M.; Hirt, N.: Schaltungen für Digital-Analog- und Analog-Digital-Umsetzer.
In: Taschenbuch Elektrotechnik, Bd. 3/II (Hrsg. E. Philippow), Verlag Technik Berlin, 1988.
/ 6/
Schiffmann/Schmitz: Technische Informatik 1. Grundlagen der digitalen Elektronik.
(Springer-Lehrbuch) Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New-York-London-ParisTokyo-Hong Kong-Barcelona-Budapest 1993.
/ 7/
Borucki, L.: Digitaltechnik. B.G.Teubner Stuttgart 1989.
/ 8/
Beuth, K.: Digitaltechnik. Vogel Buchverlag Würzburg 1992.
/ 9/
Brauer/Lehmann: Elektronik-Aufgaben. Fachbuchverlag Leipzig 1988.
/10/
Dostál, J.: Operationsverstärker. Verlag Technik Berlin 1986.
/11/
Weißel, R.; Schubert, F.: Digitale Schaltungstechnik.
Springer Verlag Berlin-Heidelberg-New York-London-Paris-Tokyo-Hong Kong 1990.
/12/
Siegl, J.; Eichele, H.: Hardwareentwicklung mit ASIC. Einsatz und Anwendung von
CAE-Entwurfswerkzeugen (Reihe Mikroelektronik, Band 8).
Hüthig Buchverlag Heidelberg 1990.
/13/
Baumann, P./Möller, W.: Schaltungssimulation mit Design Center.
Fachbuchverlag Leipzig-Köln 1994.
/14/
Lehmann, C.: Elektronik-Aufgaben. Band II: Analoge und digitale Schaltungen.
Fachbuchverlag Leipzig-Köln 1994.
/15/
Scarbata, G.: Synthese und Analyse Digitaler Schaltungen.
R.Oldenbourg Verlag München Wien 1996
Anhang
Ü
P
Übungsaufgaben
Praktikumsaufgaben "Circuit-Simulation" (PSPICE)
Digitale Schaltungen
Einleitung
Die stürmische Entwicklung der Mikroelektronik hält seit der Erfindung des Transistors im Jahre
1948 ungebrochen an. Wesentliche Meilensteine dieser Entwicklung waren die Realisierung der
ersten integrierten Schaltungen um 1960 und die Einführung der ersten Mikroprozessoren um 1974
(einschließlich anwenderprogrammierbarer Speicher) als Vorläufer der gegenwärtigen Computer.
{ Der Integrationsgrad mikroelektronischer Bausteine und die Komplexität damit aufgebauter
elektronischer Systeme wachsen noch immer. Der technologische Stand der Halbleitertechnik
ermöglicht heute Integrationsgrade von über 105 ... 107 Transistorfunktionen pro Baustein mit
Strukturgeometrien im 100 nm - Bereich und kleiner.
Mit der Verfügung über enorme und kostengünstige Rechenleistung bietet sich die Möglichkeit,
auch komplexe Systemaufgaben mittels Software auf einer Standard-Hardware zu lösen.
Heute kann bei der technischen Realisierung digitaler elektronischer Systeme zwischen einer
"Softwarelösung" und einer "Hardwarelösung" unterschieden werden (Bild 1).
{ Bei der Softwarelösung wird eine Standard-Hardware mit Universal- oder Signalprozessoren,
Speicher- und Peripheriebausteinen verwendet. Die anwendungsspezifische Lösung wird
dann durch ein entsprechendes Hochsprachprogramm (HLL - High Level Language) erreicht.
Die Verwandtschaft zu Lösungen komplexer Softwareaufgaben ist unmittelbar zu erkennen.
{ Bei Hardwarelösungen unterscheidet man Realisierungen mit Standard-Schaltkreisen und
Anwenderspezifischen Integrierten Schaltkreisen ASICs (PLD, Standard-Zellen, Gate-Array).
Im Gegensatz zu Softwarelösungen sind Änderungen nach der Implementierung nur noch
eingeschränkt möglich.
Technische
Realisierung
Softwarelösung
Mikroprozessoren
Speicher
Peripherieschaltkreise
Hardwarelösung
Standard-IC
analog
digital
CMOS, TTL
ASICs
Semi-Kunden-IC
Kunden-IC
Standardschaltkreise
Standardschaltkreise
Gate-Array
PLD
Standard-Zelle
vollständig vorgefertigt
vollständig vorgefertigt
vorgefertigt
Änderungen durch
Programm möglich
keine Änderungen
möglich
Änderungen bedingt möglich
z.B. Verbindungen, Plazierung
vorgefertigte
Makrozellen
Bild 1: Technische Realisierung elektronischer Systeme als Hard- oder Softwarelösung
Digitale Schaltungen
Parallell zu den technologischen Fortschritten wurden und werden leistungsfähige Verfahren und
Werkzeuge für den Entwurf komplexer Systeme entwickelt (CAE - Computer Aided Engineering).
Diese CAE-Werkzeuge bieten in Verbindung mit Bauteilbibliotheken vielfältige Verifikations- und
Testmöglichkeiten im gesamten Entwurfsprozeß ohne eine physikalische Realisierung (virtuelles
Labor). Wichtigstes Werkzeug zur Schaltungsverifikation ist die Simulation (Analyse und
Modifikation am Modell). Man unterscheidet u.a. zwischen
{ Device-Simulation: Simulation von Einzelhalbleitern und geometrischen Strukturen, z.B.
zur Ermittlung von Modellparametern,
{ Circuit-Simulation: Netzwerkanalyse (meist modifizierte Knotenspannungsmethode) auf
Basis von Transistor- bzw. Makromodellen von ICs; Ergebnisse dieser
Simulation sind typisch die Spannungs-/Stromverläufe im Zeitbereich,
{ Logik-Simulation: Berechnung der logischen Zustände (1-0-X) einer Logikschaltung bei
gegebenen Eingangsbelegungen.
CAE-Entwurfswerkzeuge
(auf CAE-Workstations)
Schaltungsstruktur
Schaltungsverifikation
(Simulation)
Schaltplaneingabe
Symbolgenerierung
Circuit-Simulation
Logik-Simulation
Layouterstellung
Dokumentation
Leiterplatten
ASICs
Bild 2: Einsatzbereiche von CAE-Werkzeugen beim Schaltungsentwurf
Bei der Entwicklung einer Hardwarelösung ist der Aufwand für den Aufbau von Versuchs- und
Testschaltungen aus Standardelementen, die Verifikation und Optimierung von Teilschaltungen
wegen der Komplexität der Gesamtsysteme und aus Zeit- und Kostengründen nicht mehr zeitgemäß
bzw. muß zumindest stark reduziert werden. Der Entwurf komplexer Systemfunktionen und deren
relativ kostspielige Realisierung in Silicium erfordert zunehmend eine systematische Methodik; ein
Entwurf muß bereits vor seiner Realisierung getestet und optimiert werden.
Physikalisch-technische Beschränkungen der späteren Realisierung (Parameter, Grenzwerte,
Restriktionen, ...) müssen schon in der Konzipierungsphase berücksichtigt werden. Dazu werden
vom Entwickler solide Kenntnisse in der Schaltungstechnik, über Schaltkreistechnologien sowie
über Entwurfswerkzeuge und deren Möglichkeiten gefordert.
Das gilt im Prinzip auch für den Entwurf technischer Realisierungen mittels einer Softwarelösung.
Jede Aufgabenstellung erfordert eine spezifische, in Leistungsumfang, Kosten usw. gut angepaßte
Rechnerkonfiguration aus einem sehr breiten Spektrum von Systemkomponenten mit spezifischen
Kenngrößen. Besonders wichtig dabei ist die Festlegung und Auswahl geeigneter Schnittstellen für
die Prozeßperipherie. Dazu werden zumindestens Kenntnisse über deren technische Realisierung
und der damit verbundenen Kennwerte und Eigenschaften vorausgesetzt.
{ Zur Entwicklung effektiver Systemlösungen muß ein Entwickler i.a. über ein breites
Spektrum von Grund- und Spezialkenntnissen aus unterschiedlichen Teilbereichen verfügen,
da moderne Lösungen zunehmend als integrierte Hard-/Softwarelösungen entstehen.
{ Die Verteilung der geforderten Grund-/Spezialkenntnisse auf die einzelnen Teilbereiche ist
für die einzelnen Entwickler unterschiedlich und aufgabenspezifisch.
Digitale Schaltungen
Die schnelle Weiterentwicklung der Halbleiter- und Digitaltechnik sowie die Bereitstellung immer
neuer und/oder komplexer werdender Funktionselemente und Entwurfswerkzeuge läßt Details
rasch veralten. Wir konzentrieren uns deshalb auf allgemeingültige Grundlagen und Kentnisse zur
digitalen Schaltungstechnik. Sie sollen helfen, den aktuellen Stand der Digitaltechnik einzuschätzen
und auch künftige Weiterentwicklungen zu erfassen und richtig einzuordnen. Gleichzeitig wird
damit der notwendige Hardwarehintergrund für andere Lehrveranstaltungen geliefert.
Das vorliegende Script entstand auf der Grundlage der Manuskripte zu den Lehrveranstaltungen
Rechnertechnik im Studiengang Informatik und Analoge und digitale Schaltungen im Studiengang
Elektrotechnik/Automatisierungstechnik an der Technischen Universität Ilmenau, die seit Jahren
vom Autor als Lehrbeauftragter wahrgenommen werden.
Das Script stellt in der vorliegenden Form bewußt eine teilweise erweiterte Fassung des Inhaltes der
Lehrveranstaltung Analoge und digitale Schaltungen (Teil Digitale Schaltungen) im Studiengang
Elektrotechnik/Automatisierungstechnik dar.
Dem interessierten Studierenden wird damit die Möglichkeit gegeben, sich mit der Hardwareproblematik über den in Vorlesung, Übung und Praktikum vermittelten Stoff hinaus eigenständig
zu beschäftigen.
Das Script wird ergänzt durch eine umfangreiche Sammlung von Übungsaufgaben zur Berechnung
digitaler Grundschaltungen sowie Anleitungen zu Praktikumsversuchen mit Entwurfswerkzeugen
zur Circuitsimulation (PSPICE) .
Ilmenau, im Oktober 2003