Grundlagen elektronischer Digitalschaltungen
von
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang|Hilberg Prof. Dr.-Ing. Robert Piloty
Technische Hochschule Darmstadt
Mit 337 Bildern und 3 Tabellen
2., überarbeitete und ergänzte Auflage _ ^
Technische Hochschule Barmstodt
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Sachgebiete: ,——.
R. Oldenbourg Verlag München Wien 1981
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 1. Auflage 11 Vorwort zur 2. Auflage 15
1. Einleitung 17
1.1 Einteilung der Schaltungen der Impulstechnik 17 1.2 Beschreibung des Verhaltens der Schaltungen der Impulstechnik ... 20 1.3 Linearität und Nichtlinearität 24 1.4 Signalformen in der Impulstechnik 27 1.5 Impulse und ihr Spektrum 29
2. Schaltvorgänge in linearen passiven Schaltungen 39
2.1 Grundschaltungen mit nur einem Energiespeicher 39 2.1.1 Das Differenzierglied 41 2.1.2 Das Integrierglied 44 2.2 Grundschaltungen mit zwei Energiespeichern 46 2.2.1 Kompensierter Spannungsteiler 46 2.2.2 Impulsübertrager 49
3. Schaltungen mit nichtlinearen Widerständen (Dioden) 54
3.1 Problemstellung und Definitionen 54 3.2 Einige Beispiele von Schaltvorgängen in einfachen Schaltungen
mit einer Diode 62 3.2.1 Diode, Widerstand und Spannungssprung 62 3.2.2 Diode, Kapazität und Spannungssprung 63 3.2.3 Diode, Kapazität und Stromsprung 66 3.2.4 .Energieumsatz bei der Aufladung einer Kapazität über
einen nichtlinearen Widerstand 70 3.3 Kombination statischer Kennlinien 72 3.3.1 Definition von Kennlinien 72 3.3.2 Serienschaltung zweier nichtlinearer Widerstände 75 3.3.3 Parallelschaltung zweier nichtlinearer Widerstände 77 3.3.4 Abzweigschaltungen mit nichtlinearen Elementen 79 3.4 Stückweise lineare Kennlinien 80 3.4.1 Problemstellung und elementare geknickte Kennlinien 80 3.4.2 Synthese von Schaltungen (Kennlinienapproximation mit
technisch idealen Dioden) 82
3.4.3 Analyse von Schaltungen (Kennlinienkonstruktion von
Schaltungen mit technisch idealen Dioden) 85 3.4.3.1 Zweipol 86 3.4.3.2 Dioden-Und-Gatter 87 3.4.3.3 Dioden-Oder-Gatter '. 91 3.4.3.4 Die Hintereinanderschaltung von Und- und Oder-
Schaltung 94 3.4.3.5 Die dynamische Analyse eines Gleichrichters 95 3.4.3.6 Klemmschaltung 99 3.5 Kippschaltungen mit negativen Widerständen *. 101 3.5.1 Zwei Arten nichtlinearer Widerstände 101 3.5.2 Stabile und instabile Arbeitspunkte 102 3.5.3 Astabile Kippschaltung mit stromgesteuertem negativem
Widerstand 104 3.5.4 Monostabile Kippschaltung mit stromgesteuertem negativem
Widerstand 107 3.5.5 Bistabile Kippschaltung mit spannungsgesteuertem
negativem Widerstand 108 3.6 Dynamisches Verhalten von Dioden 111 3.6.1 Prinzipielle Erscheinungen 111 3.6.2 Speicher schaltdioden-Verstärker 115
4. Leistung und Energie in nichtlinearen Schaltungen 119
4.1 Maximale Leistungsübertragung von einem nichtlinearen Generator zu einem nichtlinearen Verbraucher 119 4.1.1 Ableitung .• 119 4.1.2 Lineare Widerstände 123 4.1.3 Parabolische Kennlinien 123 4.1.4 Hyperbolische Kennlinien 123 4.2 Nichtlineare Energiespeicher 124 4.2.1 Kapazität 124 4.2.2 Induktivität 127
5. Das statische Großsignalverhalten bipolarer Transistoren 13o 5.1 Qualitative Beschreibung 130 5.2 Ableitung der Grundgleichungen von Ebers und Moll 134 5.3 Ersatzschaltbilder 139 5.4 Die physikalisch richtige Stromrichtung 141 5.5 Die Stromgleichungen der Betriebszustände. 142 5.6 Kennlinien aus den Großsignal-Beziehungen 143 5.6.1 Basisgrund Schaltung 145 5.6.2 Emittergrund Schaltung 146
5.6.3 Kollektorgrundschaltung 152 5.6.4 Ergänzungen und Spezialisierungen der Ersatzschalt-
bilder 154 5.6.5 Klemmenstrom-Ersatzschaltbild 155 5.6.6 Hybrid-ir-Ersatzschaltbild 156 5.7 Beispiele 157 5.7.1 Transistor mit Basiswiderstand 157 5.7.2 Transistor mit Emitterwiderstand 159 5.7.3 Minimale Restspannung 161 5.8 Temperaturabhängigkeit der Transistorgrößen .' 162 5.8.1 Sperr ströme 162 5.8.2 Basisemitterspannung 164 5.8.3 Stromverstärkung 165 5.8.4 Kollektorstrom 165 5.9 Die Verlustleistung im Transistor 166 5.10 Häufige Vereinfachungen im Transistor-Ersatzbild 170 Beispiel: Übersteuerungsschutzdiode 171
6. Der Transistor als Schalter ... -174 6.1 Der Transistor mit ohmscher Last ."TTT 1 75 6.2 Der Transistor mit kapazitiver Last 177 6.3 Der Transistor mit induktiver Last 181 6.4 Kapazitive Ansteuerung eines Transistors 184
7. Gatter mit Transistoren 187
7.1 Der Inverter 187 7.1.1 Eingangsstromkennlinien 188 7.1.2 Die Spanriungsübertragungskurve u = N(u ) 189 7.1.3 Graphische Ermittlung aus dem Kennlinienfeld 191 7.2 Die ideale SpÜK für logische Schaltkreise 193 7.3 NULL- und EINS-Bereiche bei invertierenden Gattern 196 7 .4 Transistor-Gatter mit mehreren Eingängen 200 7.4.1 RTL-Gatter (Resistor-Transistor-Logic) 200 7.4.2 DTL-Gatter (Diode-Transistor-Logic) 201 7.4.3 TTL-Gatter (Transistor-Transistor-Logic) 202 7.4.4 ECL-Gatter (Emitter-Coupled-Logic) 206
o
7.4.5 Die I L-Schaltkreistechnik (Integrated-Injection-Logic).. 212
8. Die Analyse dynamischer Vorgänge in bipolaren Transistoren mit dem
Ladungssteuerungsmodell 218
8.1 Rechenansatz der Ladungssteuerungstheorie 218 8.2 Anwendungsbeispiele 220 8.2.1 Ansteuerung der Basis über einen Widerstand 220
8.2.2 Ansteuerung über ein RC-Glied 221 8.3 Verhalten im übersteuerten Zustand (Sättigung) 223 8.4 Ersatzbilddarstellung 227
8.4.1 Ableitung der vollständigen nichtlinearen Ersatz-
schaltung 227 8.4.2 Umformungen 231 8.4.3 Vergleich mit dem erweiterten Ebers-Moll-Modell 232 8.5 Betrachtungen über die Konstanz der Großsignalparameter 233 8.6 Kleinsignal verhalten 235 8.7 Vergleich von Schalt- und Hochfrequenztransistoren 237 8.7.1 Die Problemsteldung 237 8.7.2 Schalttransistor 239 8.7.3 Hochfrequenztransistor 240 8.8 Thyristor (Vierschichtdiode) 244
9. Das statische Großsignalverhalten des Feldeffekttransistors 250
9. 1 Qualitative Einführung 250
9.2 Widerstandsbereich 252 9.3 Abschnürbereich 256 9.4 Steuer-Kennlinie 257 9.5 Komplementäre Transistoren 258 9.6 Spannungsgesteuerter Widerstand 259 9.7 Endliche Steigung im Abschnürbereich 259 9.8 Schwell Spannung und Substratvorspannung 263 9.9 Symmetrische Darstellung der Transistor-Gleichungen 265 9. 10 Vollständiges Großsignal-Ersatzbild 266 9.10.1 Die Problemstellung 266 9.10.2 Vollständiges Ersatzschaltbild mit antiparallelen
Stromquellen 268
10. Der MOSFET-Inverter 272 10.1 Das statische Verhalten eines Inverters 272 10.2 Das dynamische Kleinsignal-Verhalten eines MOSFET 275 10.3 Inverter mit ohmscher und kapazitiver Last 277 10.4 Inverter mit Transistor- und Kapazitätslast 279 10.5 Inverter mit Anreicherungs- und Verarmungstransistoren 282
11. MOSFET-Gatter 283
11.1 Statische NAND- und NOR-Schaltungen 283
11.2 Dynamische Inverter und Gatter 283
11.3 Gatter mit komplementären MOS-FET's (CMOS-Technik) 285
11.4 Leistung und Schaltzeit bei CMOS 289
12. Elementare Impuls-Schaltungen 291
12.1 Symmetrische Kippschaltung mit Gleichstrom-Rückkopplung
(Flip-Flop) 291 12.1.1 Bestimmung der Schleifenverstärkung V 291 12.1.2 Schleifenverstärkung und Sättigungsbedingung des
Flip-Flops 294 12.1.3 Asynchrones RS-Flipflop 296 12.1.4 Synchrones RS-Flipflop 297 12.1.5' D-Flipflop 298 12.1.6 T-Flipflop .' 298 12.1.7 JK-Flipflop 300 12.1.8 Master-Slave-Flipflop 301 12.1.9 Triggervorgang und SpÜK 302 12.2 Die unsymmetrische bistabile Kippstufe (Schmitt-Schaltung).... 303 12.2.1 Aufgabenstellung und Schaltung 303 12.2.2 Schleifenverstärkung 305 12.2.3 Schwell Spannungen u und u 306
xK1 xKZ
12.2.4 Realisierung mit Gattern 307 12.3 Die astabile symmetrische Kippschaltung 308 12.4 Monostabile Kippschaltung 313 12.5 Sperrschwinger (Blocking-Oscillator) 314 12.5.1 Beschreibung 314 12.5.2 Berechnung der Schleifenverstärkung V 315 12.5.3 Ausgleichsvorgang nach dem ersten Kippvorgang 316 12.5.4 Ausgleichsvorgang nach dem zweiten Kippvorgang 318 12.6 Sägezahngenerator, Miller-Generator 319 12.6.1 Prinzip 319 12.6.2 Miller-Generator 319 12.7 Bootstrap-Generator 321 12.8 Vergleicher (Komparator) 322 12.9 Abtaster (Sampling gate) 324 12.9.1 Prinzip 324 12.9.2 Lineares Dioden-Tor 324 12.10 Haltekreis 326 A n h a n g Al: Lösung einer Differentialgleichung erster Ordnung 328
Literaturhinweise 330
Stichwortverzeichnis 335
