Analoge und digitale Signale

Analoge und digitale Signale Binär Erster binärer Zustand Zweiter binärer Zustand Schalter geschlossen Schalter geöffnet Impuls vorhanden Impul...
Author: Laura Roth
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Analoge und digitale Signale

Binär

Erster binärer Zustand

Zweiter binärer Zustand

Schalter geschlossen

Schalter geöffnet

Impuls vorhanden

Impuls nicht vorhanden

Transistor leitend

Transistor sperrt

Spannung hoch (5V)

Spannung niedrig (0V)

High

Low

1

0

Ja

Nein

Wahr

Falsch

Technische Informatik 1 + E-Technik

WS 16/17

Dr. Kurt Sutter

Kap. 3

Folie 1

Technische Implementierung H oder 1 Digitaltechnik

Verbotener Bereich

L oder 0

Technologie

Logische 0

Logische 1

TTL

0..0,8 V

2,4 .. 5,0 V

CMOS

0.. 30% VDD

70 .. 100% VDD

GTL+

-0,3 .. 0,82 V

1,22 .. 1,5 V

RSL

1,4 .. 1,8 V

1,0 .. 1,4 V

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Kap. 3

Folie 2

Halbleiter Leiter – Halbleiter - Isolator Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, den man hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit sowohl als Leiter als auch als Nichteiter betrachten kann. Halbleiter sind Festkörper mit kristalliner Struktur. Beeinflussung der Leitfähigkeit durch Einbringung von „Störstellen“. Unter Störstellen versteht man fehlende oder überzählige Atome im Kristallgitter der Halbleiter oder den ersatzweisen oder zusätzlichen Einbau von Fremdatomen. Dotierung mit Donatoren, d.h. mit Atomen die ein Elektron mehr haben. Dotierung mit Akzeptoren, d.h. mit Atomen die ein Elektron weniger haben. Technische Informatik 1 + E-Technik

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Kap. 3

Folie 3

Halbleiter

Donatoren:

Si

Si

Si

Akzeptoren

Si

Si

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Si

Si

Si P

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Si

Si

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Si

Al Si

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Folie 4

Die Diode Dioden sind Halbleiterbauelemente, die Strom nur in einer Richtung durchlassen. Sie bestehen aus den zwei Elektroden Anode und Kathode und lassen nur dann einen Stromfluss zu, wenn die Anode positiver ist als die Kathode.

Diodenkennlinien:

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Folie 5

Dioden – Dotierung des Halbleiters Eine Seite ist n-dotiert (hat einen Überschuß an Elektronen) und die andere ist p-dotiert (hat einen Mangel an Elektronen).

-

n-leitend

-

-

p-leitend

-

-

+

+

+

+ -

+

+

+

+

} Rekombination in Grenzschicht (Diffusionsstrom) → ladungsträgerarme Zone

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Folie 6

Diode: Anlegen eines elektrischen Feldes

Sperrrichtung n-dotierter Bereich → positive Spannungsquelle p-dotierter Bereich → negative Spannungsquelle

n

p

-

+

-

Vergrößerung der

+ -

ladungsträgerarmen Zone

+

Sperrschicht entsteht. Es fließt kein Strom.

+

_

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Folie 7

Diode: Anlegen eines elektrischen Feldes

Durchlassrichtung: n-dotierter Bereich → negative Spannungsquelle p-dotierter Bereich → positive Spannungsquelle n

p -

+

-

Ladungsträgerarme Zone wird

+ -

abgebaut.

+

Sperrschicht verschwindet. Strom fließt.

_ +

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Folie 8

Der Transistor Der Transistor ist ein aktives Bauelement, das als stromgesteuerte Stromquelle beschrieben werden kann: Ein kleiner Basis-Strom steuert den größeren Kollektor-Emitter-Strom. Für Betrachtungen bezüglich der Schaltfähigkeit lässt sich der Transistor jedoch stark vereinfachen. Mechanisches Modell: Collector Basis

Emitter

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Folie 9

Bipolare Transistoren Kristall aus 3 aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnder Dotierung je nach Zonenfolge: npn oder pnp Transistor

-

-

-

n

p

n

+ -

+

-

+

-

+ +

-

+

-

-

ladungsträgerarme Zonen durch Rekombination Diffusionsstrom Steuerwirkung nur dann, wenn ein pn-Übergang in Sperr- und der andere in Durchlassrichtung gepolt ist. bipolarer Transistor Technische Informatik 1 + E-Technik

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Folie 10

Bipolare Transistoren – Wirkungsprinzip

Durchlaßrichtung

n -

Sperrrichtung

p +

-

+

-

-

+

Emitter Drain

n

-

Basis Gate

Kollektor Source

}

Steuerspannung Hinreichend schmale Basiszone: Überlagerung der Sperrschicht durch ladungsträger-angereicherte Zone des in Durchlassrichtung geschalteten pn-Übergangs => Emitter-Kollektor-Strom. Technische Informatik 1 + E-Technik

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Folie 11

Schichtaufbau von integrierten Transistoren MOS Transistoren (unipolare Transistoren) MOS: Metal Oxide Semiconductor (Metall-Oxid-Halbleiter). MOS-Transistoren sind sogenannte Feldeffekttransistoren (FET): Steuerung durch Wirkung eines elektrischen Feldes. Unipolar, da pn-Übergänge gleichgepolt.

Polysilizium (früher: Metall) Isolierschicht aus SiO2

Source

Hier: NMOS

n+

Gate

Drain 25nm

n+

Kanal

p Substrat < 5 µm ~ 10 -20 µm

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Folie 12

Funktionalität des MOS-Transistors

Ohne Spannung zwischen Source und Drain keine Leitfähigkeit, da pn-Übergang am Drain in Sperrrichtung.

n

pp

Source

n Drain

“Kondensatorplatten” Gatekontakt und Kanal, dazwischen Siliziumoxidschicht. Anlegen

einer positiven Steuerspannung: Aufladung des Kondensators: Influenz negativer Ladungen im Kanal, Kompensation der vorhandenen positiven Ladungen oberhalb einer Schwellenspannung Bildung einer n-leitenden Inversionsschicht In dieser Schicht Aufhebung der pn-Übergänge => durchgehend leitende Verbindung Widerstandsabnahme mit zunehmender Steuerspannung

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Folie 13

Überblick Schaltungstechnik

bipolar: TTL Transistor-Transistor-Logik ECL Emitter-Coupled-Logic Wichtige Parameter:

unipolar • Schaltgeschwindigkeit NMOS n-leitend MOS • Verlustleistung CMOS Complementary-MOS gemischt: BiCMOS Bipolar-CMOS Technische Informatik 1 + E-Technik

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Kosten



Zuverlässigkeit

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Folie 14

TTL

Transistor-Transistor-Logik Bekannteste bipolare Schaltkreisfamilie Günstige Produktion Gute Leistungsfähigkeit Moderate Verlustleistung

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Folie 15

Der Transistor als Schalter Bipolarer Transistor (npn Typ) Collector Basis

Emitter

IBE = 0

sperrend

IBE > 0

leitend

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Folie 16

Die TTL Logikfamilie

+5 Volt

+5 Volt

leitend von interner Logik

IOH

+5 Volt

sperrend

Ausgang sperrend

Ausgangsstufe

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leitend

Ströme bei log. 1

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IOL

Ströme bei log. 0

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Folie 17

Inverter in TTL

Eingangsstufe

Ausgangsstufe

Zwischenstufe Technische Informatik 1 + E-Technik

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Folie 18

Nand-Gatter in TTL

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Folie 19

Fanout / Fanin +5 Volt

leitend

IOH = n * IIH

sperrend

IIH

IIH In1

...

IIH In2

IIH

In3

Inn

Größe von IOH

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Folie 20

Darstellung im Datenblatt

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Folie 21

CMOS Complementary MOS-Logik Einfacher kompakter Aufbau Reine Spannungssteuerung Sehr kleine Leistungsaufnahme im statischen Betrieb Kein statischer Stromverbrauch Geringe Wärmeentwicklung auf Chip Ideal für Hochintegration

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Folie 22

Der Transistor als Schalter Bipolarer Transistor (npn Typ)

Feldeffekttransistoren p-Kanal Typ n-Kanal Typ

Collector Basis

IBE = 0

IBE > 0

Emitter

Drain

Drain Gate

Source

Gate

Source

sperrend

UGS = 0

sperrend

USG = 0

sperrend

leitend

UGS > Uth

leitend

USG > Uth

leitend

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Folie 23

CMOS Inverter

VCC (+5 Volt)

+5 a

P-MOS

+5 y

a

0

y

0

N-MOS

ia 0 CMOS Gatter | iy | 0 Technische Informatik 1 + E-Technik

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Folie 24

Datenblattausschnitt CMOS Schaltkreis

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Folie 25

Regeln für den Einsatz von CMOS Bauteilen

Schutz gegen statische Entladung Unbenutzte Eingänge eines Bauteiles nie offen lassen Offener Eingang nimmt Potential im verbotenen Bereich an -> Beide Transistoren dauernd offen -> hoher Querstrom belastet das Bauteil

Spannung eines Eingangs darf nicht wesentlich über Betriebsspannung liegen

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Folie 26

BiCMOS

Kombination von Feldeffekttransistoren und Bipolartransistoren Eingang und logische Verknüpfung in CMOS Ausgangsstufe Bipolar Anwendungen z.B. im Bereich von leistungselektronischen Schaltungsteilen

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Bicmos-Inverter

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Folie 27

Aktuelle Logikfamilien (Texas Instruments 2014) http://www.ti.com/

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Folie 28

Logikfamilien im Überblick

Geschwindigkeit nMOS niedrig - mittel niedrig CMOS BICMOS niedrig - mittel TTL mittel ECL hoch IIL mittel GaAs sehr hoch

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Integrationsdichte sehr hoch hoch hoch niedrig niedrig mittel sehr niedrig

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Leistungsverbrauch mittel sehr niedrig niedrig hoch sehr hoch mittel hoch

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Treiberleistung niedrig niedrig hoch hoch niedrig variabel niedrig

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Folie 29

Tristate-Ausgänge Neben H und L gibt es einen dritten hochohmigen Zustand Z

In

EN

Out Z 0 Z 1

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Folie 30

Tristate-Schaltung TTL-Inverter ohne Tristate

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TTL-Inverter mit Tristate

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Folie 31

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