Digitalelektronik

Abgestufte Elektronik

Die Digitalelektronik basiert auf abgestuften Werten (diskrete Werte), die üblicherweise durch unterschiedliche Spannungen definiert werden.

Elektronisch am einfachsten umzusetzen und damit am häufigsten zu finden, ist die Abstufung in zwei Werten. Damit kann das Dualsystem direkt auf eine "elektronische Ebene" abgebildet werden. Die beiden Werte werden durch zwei unterschiedliche Spannungen definiert. Die Spannungen hängen von der Technologie ab, mit welcher gearbeitet wird.

Die erlaubten Spannungsbereiche werden als High (hohe Spannung) H, bzw. als Low (niedrige Spannung) L bezeichnet.

Die Zuordnung von H und L zu 1 und 0 kann auf zwei verschiedene Arten geschehen.

Die Spannungspegel hängen von der verwendeten Technologie ab. Um die Verlustleistung bei hohen Frequenzen zu verringern, ist man bestrebt, mit möglichst geringen Spannungen zu arbeiten. Bei Microcontrollern werden 5V und 3,3V am häufigsten verwendet.

Achtung! Wer einen Eingang eines 3,3V Mikrocontrollers (z.B. Raspberry pi) an den Ausgang eines 5V Mikrocontrollers (z.B. Arduino) anschließt, riskiert mit ziemlicher Sicherheit die Zerstörung des 3,3V Mikrocontrollers!

Logikpegel

Logikgatter

Die logischen Grundfunktionen der booleschen Algebra werden in Logikgattern elektronisch umgesetzt.

Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten, von denen heutzutage eigentlich nur noch die Halbleitertechnik mit Transistoren (MOSFETs) genutzt wird.

Grundelemente von Logikgattern

Man benötigt für den Aufbau von Logikgattern prinzipiell zwei gundlegende Elemente:

• "Ventile" (Schalter)
• "Verstärker" (aktive Elemente)

Ventile

Ventile sind Elemente, die den Materialfluss zulassen oder sperren (Schalter). Das "Material", das in Elektronikschaltungen fließt, ist natürlich der elektrische Strom (Elektronen). Geeignete Ventile für die Realisierung von Logikgattern in Form einer elektronischen Schaltung sind Dioden. Diese lassen den Strom in Flussrichtung passieren und in Sperrrichtung nicht. Sie können als "stromrichtungsgesteuerter Schalter" betrachtet weren.

Durch geeignete Anordnung von Ventilen lassen sich UND- und ODER-Gatter erzeugen. Durch die Kombination dieser Grundgatter lassen sich weitere logische Funktionen realisieren.

Verstärker

Für die Realisierung eines NICHT-Gatters benötigt man in jedem Fall ein aktives Element. Denn ein Inverter muss am Ausgang Strom (Energie) liefern, wenn am Eingang kein Strom (keine Energie) fließt. Die Ausgangsenergie kann also nicht vom Eingang geliefert werden, sondern muss vom Inverter aktiv "erzeugt", bzw. aus der Energiequelle des Inverters bereitgestellt werden.

Ein NICHT-Gatter wird durch einen invertierenden Verstärker realisiert und daher oft auch als Inverter bezeichnet.

Durch Reihenschaltung zweier invertierender Verstärker erhält man einen nicht-invertierenden Verstärker, den man dazu verwenden kann, Signale am Ausgang von Logikgattern zu verstärken.

Alternative Realisierungen von Logikgattern

Neben der elektronischen Realisierung von Logikgattern existieren einige alternative Realisierungen. Zum Beispiel als mechanische Modelle bzw. als "Wasserschaltung", die Logikgatter didaktisch besser zugänglich machen sollen.
In der Technik spielt heute die Pneumatik noch eine gewisse Rolle. Die Grundelemente der Logikgatter sind hier Ventile und Pumpen (als aktive Elemente).
Die elektromechanische Realisierung von Logikgattern mit Hilfe von Relais wurde durch die immer billigere, schnellere und bessere Halbleitertechnik praktisch völlig verdrängt.

Logikgatter in Halbleitertechnologie

Heutige Logikgatter werden in Halbleitertechnologie gefertigt in Form von integrierten Schaltkreisen (ICs)
Solche ICs bestehen aus mehreren Gattern oder komplexen Bausteinen wie Zählern, Addierern, Multiplexern u.a. Immer häufiger werden Logische Schaltungen auch von Mikrocontrollern emuliert, die eine höhere Flexibilität als Hardware-Schaltungen besitzen. In FPGAs bzw. CPLDs können ganze Logische Schaltnetze programmiert werden. Diese Bausteine können auch mehrfach gelöscht und neu programmiert werden.

Die Transistoren, die in heutigen ICs Anwendung finden, sind fast ausschließlich Feldeffekt-Transistoren (CMOS-Technologie). Früher kamen die robusteren aber auch leistungshungrigen Bipolartransistoren zum Einsatz (DTL oder TTL-Technologie bzw. ECL-Technolgie), da man die CMOS-Technologie nicht beherrschte.

Block-Aufbau von Logikgattern in Halbleitertechnologie

Im Prinzip bestehen Logikgatter aus zwei oder drei Blöcken:

• Die Eingangsstufe ist optional und häufig nur vorhanden, wenn ein Eingang invertiert werden muss.

• Die eigentliche Logik wird durch geeignete Halbleiter realisiert. Man kann dafür Dioden einsetzen. Allerdings werden diese inzwischen durch Transistoren ersetzt, da sich diese einfacher auf einem Chip integrieren lassen.

• Die Ausgangsstufe besteht aus einem Verstärker und ggf. einem vorgeschalteten Inverter. Sie verstärkt das Signal, das die interne Logikschaltung liefert. Sie sorgt dafür, dass das Ausgangssignal nicht auf Eingangssignal rückwirken kann. Außerdem kann der Ausgang des Logikgatters dann mehrere Eingänge nachgeschalteter Logikgatter treiben.

Logikgatter, die auf diese Art aufgebaut sind, können auf beliebige Weise kaskadiert werden.
Vorsicht ist jedoch bei Rückkopplungen geboten, wenn also ein Ausgang eines Logikgatters auf einen Eingang eines vorherigen Logikgatters zurückgeführt wird. Dabei können in ungünstigen Fällen unerwünschte Oszillationen des gesamten Schaltnetzes auftreten.

Innerhalb eines Logikschaltplans werden Gatter durch genormte Blocksymbole dargestellt, ohne, dass auf das komplexe elektronische Innenleben eines solchen Blocks eingegangen wird. Verwirrend ist manchmal auch, dass diese Blocksymbole von keiner Versorgungsspannung gespeist werden.

UND-Gatter

Das UND-Gatter liefert am Ausgang HIGH, wenn alle Eingänge HIGH sind.

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Schaltsymbol eines UND-Gatters

Nach IEC 60617-12 werden Logikgatter durch rechteckige Symbole gekennzeichnet. Die Eingänge befinden sich links, die Ausgänge befinden sich rechts. Dies entspricht dem EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe). Ein- und Ausgänge werden mit Großbuchstaben gekennzeichnet. Eingangsbuchstaben stehen vorne im Alphabet. Ausgangsbuchstaben stehen am Ende des Alphabets.

UND-Gatter mit Schaltern

In vielen Büchern findet man eine Realisierung eines UND-Gatters in vereinfachter Form mit Schaltern (siehe Bild rechts). Anhand dieser Darstellung wird klar: Die Lampe Y kann nur leuchten, wenn die Schalter A und B betätigt wurden. Im Prinzip entspricht dies der Wahrheitstabelle eines UND-Gatters. Die Schaltung hat in dieser vereinfachten Form jedoch einen wesentlichen Nachteil. Es können keine weiteren Logikgatter am Ausgang dieser Schaltung betrieben werden, denn die Schalter werden ja mechanisch betrieben. Schalter von weiteren Logikgattern dieser Form können also nicht von der Lampe "angesteuert" werden. Für komplexere Steuerungen oder Kombinationen mit anderen Logikgattern ist diese Schaltung also nicht geeignet. Dazu müssten die Schalter durch Relais ersetzt werden, die elektrisch angesteuert werden und in der Lage sind, weitere Relais anzusteuern.

UND-Gatter mit Dioden

Diodenbasierte UND-Gatter sind die einfachste Form eines UND-Gatters in Halbleitertechnik. Die Funktionsweise basiert auf den Eigenschaften der Diode, die Strom nur in eine Richtung passieren lässt.
Jedoch hat das diodenbasierte UND-Gatter einen wesentlichen Nachteil: Es kann keine Lasten treiben. Es können also nicht mehrere Gatter ohne verstärkende (entkoppelnde) Zwischenstufe zusammengeschaltet werden.

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UND-Gatter in DTL-Technik

Die DTL-Logik ist eine Möglichkeit, die Einfachheit der Dioden-Logik mit der Transistortechnik zu kombinieren. Die eigentliche Logik wird durch die Dioden D1-D3 realisiert. Die Ausgangsstufe besteht aus den Transistoren Q1-Q4. Sie sorgt dafür, dass die Schaltung die Eingänge mehrerer nachfolgender Logikgatter treiben kann.

ODER-Gatter

Das ODER-Gatter liefert am Ausgang HIGH, wenn mindestens einer der Eingänge HIGH ist.

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Schaltsymbol eines ODER-Gatters

Nach IEC 60617-12 werden Logikgatter durch rechteckige Symbole gekennzeichnet. Die Eingänge befinden sich links, die Ausgänge befinden sich rechts. Dies entspricht dem EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe). Ein- und Ausgänge werden mit Großbuchstaben gekennzeichnet. Eingangsbuchstaben stehen vorne im Alphabet. Ausgangsbuchstaben stehen am Ende des Alphabets.

ODER-Gatter mit Schaltern

Auch das ODER-Gatter kann in vereinfachter Form mit Schaltern realisiert werden (siehe Bild rechts). Anhand dieser Darstellung wird klar: Die Lampe Y leuchtet, wenn einer der Schalter A oder B betätigt wurde. Dies entspricht der Wahrheitstabelle eines ODER-Gatters. Für komplexere Steuerungen oder Kombinationen mit anderen Logikgattern ist diese Schaltung nicht geeignet. Dazu müssten die Schalter durch Relais ersetzt werden, die elektrisch angesteuert werden und in der Lage sind, weitere Relais anzusteuern.

ODER-Gatter mit Dioden

Diodenbasierte ODER-Gatter sind die einfachste Form eines ODER-Gatters in Halbleitertechnik. Die Funktionsweise basiert auf den Eigenschaften der Diode, die Strom nur in eine Richtung passieren lässt.
Das diodenbasierte ODER-Gatter brauch keine eigene Spannungsversorgung. Allerdings muss die elektrische Energie zum Betrieb des Gatters von der Eingangsquelle bereitgestellt werden.

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ODER-Gatter in DTL-Technik

Die DTL-Logik ist eine Möglichkeit, die Einfachheit der Dioden-Logik mit der Transistortechnik zu kombinieren. Die eigentliche Logik wird durch die Dioden D1-D2 realisiert. Die Ausgangsstufe besteht aus den Transistoren Q1-Q4. Sie sorgt dafür, dass die Schaltung die Eingänge mehrerer nachfolgender Logikgatter treiben kann.

NICHT-Gatter

Das NICHT-Gatter liefert am Ausgang HIGH, wenn der Eingang LOW ist. Es liefert am Ausgang LOW, wenn der Eingang HIGH ist.

Aufgrund dieser Eigenschaft wird das NICHT-Gatter häufig auch als Inverter bezeichnet.

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Schaltsymbol eines NICHT-Gatters

Nach IEC 60617-12 werden Logikgatter durch rechteckige Symbole gekennzeichnet. Die Eingänge befinden sich links, die Ausgänge befinden sich rechts. Dies entspricht dem EVA-Prinzip (Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe). Ein- und Ausgänge werden mit Großbuchstaben gekennzeichnet. Eingangsbuchstaben stehen vorne im Alphabet. Ausgangsbuchstaben stehen am Ende des Alphabets. Invertierte Ein- oder Ausgänge erkennt man an dem kleinen Keis direkt am Gattersymbol des entsprechenden Anschlusses.

NICHT-Gatter mit Schalter

Das NICHT-Gatter kann in vereinfachter Form mit Schaltern realisiert werden (siehe Bild rechts). Anhand dieser Darstellung wird klar: Die Lampe L leuchtet, wenn einer der Schalter S1 (Öffner) nicht betätigt wurde. Wird der Schalter betätigt, geht die Lampe aus. Dies entspricht der Wahrheitstabelle eines NICHT-Gatters. Für komplexere Steuerungen oder Kombinationen mit anderen Logikgattern ist diese Schaltung nicht geeignet. Dazu müsste der Schalter durch ein Relais ersetzt werden, das elektrisch angesteuert wird und in der Lage ist, weitere Relais anzusteuern.

NICHT-Gatter mit Transistor

Um einen Inverter in Halbleitertechnik zu realisieren genügt ein Bipolartransistor. Dieser invertiert das Eingangssignal, das an der Basis anliegt. Zur Funktionsweise des NICHT-Gatters in DTL-Technik

Schaltnetze

Schaltet man mehrere Logikgatter in Reihe bzw. parallel, so erhält man ein Schaltnetz.
Mit Hilfe von Schaltnetzen lassen sich komplexe logische Funktionen aus Grundgattern zusammensetzen.

Der Halbaddierer

Die Wahrheitstabelle eines Halbaddierers lässt sich relativ einfach durch ein Schaltnetz realisieren.

Der Volladdierer

Das Schaltnetz, das sich aus der Wahrheitstabelle eines Volladdierers ergibt, ist deutlich umfangreicher als das Schaltnetz des Halbaddierers.

Durch die Anwendung unterschiedlicher Methoden lässt sich die Schaltung weiter vereinfachen.