Gatter mit Transistoren und Dioden
Gatter
In diesem Praktikum betrachten wir eine Reihe von Schaltungen mit Transistoren.
Wir konzentrieren uns auf logische Schaltungen, sogenannte Gatter.
Es ist von Vorteil, wenn wir bereits einige Praktika der Digitaltechnik durchgeführt haben.
Wir müssen beachten, dass wir positive Logik verwenden:
- Wir verwenden eine positive Versorgungsspannung von normalerweise 5V.
- Eine logische 1 entspricht einer Spannung von etwa 5V.
- Eine Spannung in der Nähe der Versorgungsspannung wird als HIGH bezeichnet.
- Der Spannungsbereich von HIGH hängt von der verwendeten Technologie ab.
- Bei einer Versorgungsspannung von 5V können wir davon ausgehen, dass HIGH oberhalb von 4V sicher erkannt wird.
- Die logische 0 entspricht etwa 0V.
- Eine Spannung unter 0,8V wird als LOW bezeichnet.
Transistor als Inverter
Aus dem Praktikum Der Transistor wissen wir bereits, dass ein Transistor als Inverter fungieren kann. Ein Inverter wird auch als NOT-Gatter bezeichnet.
Das NOT-Gatter besteht aus drei Widerständen und einem Transistor. Der Widerstand R2 begrenzt den Basisstrom des Transistors. Der Widerstand R3 stellt bei offenem Eingang den Zustand 0 (LOW) sicher. Der Widerstand R4 ist der Lastwiderstand des Transistors. Er zieht den Ausgang auf 1 (HIGH), wenn der Transistor nicht angesteuert ist, also der Eingang auf 0 (LOW) liegt.
Das NOT-Gatter in Bild 1 ist auch für TTL geeignet.
Die LED am Ausgang des NOT-Gatters belastet den Ausgang. Da der Widerstand R5 vor der LED2 so groß ist wie der Lastwiderstand R4 , wird die Ausgangsspannung des Gatters verringert. Wir müssen beachten, dass der Ausgang dieses Inverters nicht beliebig belastet werden kann.
OR-Gatter mit Dioden
Wir können ein Gatter mit Dioden bauen.
Aus dem Praktikum Alles NAND, ODER? kennen wir bereits die logische ODER-Funktion mit der Wahrheitstabelle:
| A | B | OR |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Tabelle 1: OR
Die Schaltung ist relativ einfach:
Wenn einer der beiden Taster betätigt wird, leuchtet die entsprechende LED und auch LDE3 auf, da über eine Diode Strom fließt. Die Dioden sind wichtig, weil sonst z.B. beim Betätigung des Tasters T1 auch LED2 leuchten würde. Die Diode D2 sperrt dann und verhindert dieses.
Das eigentliche OR-Gatter besteht nur aus den beiden Dioden D1 und D2 und dem Widerstand R3.
Wenn wir auf diese Weise ein einfaches OR-Gatter an Logik-ICs anschließen wollen, ist die Entkopplung durch die Dioden sehr wichtig, da sich sonst die Ausgänge gegenseitig beeinflussen.
Der Widerstand R3 ist wichtig, da sonst der Logikpegel des Ausgangs nicht definiert ist, wenn die Schalter offenen sind. Wenn CMOS-Gatter am Ausgang angeschlossen sind, ist R3 unverzichtbar. Dagegen kann R3 entfallen, wenn andere (Widerstands-) Lasten gegen 0V liegen.
Bei TTL kann mit R3 keine logische 0 erzeugt werden.
Regeln: OR-Gatter mit Dioden
- Ein einfaches OR-Gatter kann mit Dioden und einem Widerstand aufgebaut werden.
- Pro Eingang wird eine Diode benötigt.
- Der Widerstand am Ausgang gewährleistet den Pegel 0, wenn alle Eingänge auf 0 liegen.
- Das OR-Gatter mit Dioden kann nicht mit TTL verwendet werden.
Das NOR-Gatter
Kombinieren wir das Dioden-OR mit dem Transistor-NOT, erhalten wir ein NOR-Gatter.
Wir konnten uns den Widerstand am Ausgang des OR-Gatters sparen, da die Widerstände R4 und R5 bereits am Eingang des Transistor-NOT nach 0 ziehen.
Das NOR-Gatter in Bild 2 ist auch für TTL geeignet.
Komplexe Logikschaltungen
Die obigen Schaltungen mit diskreten Bauelementen für OR und NOR sind einfach. Komplexe Schaltungen erfordern relativ viele Bauelemente, sodass sich der Einsatz von ICs lohnt. Es gibt noch weitere Gründe, Gatter aus diskreten Bauelementen nicht zu verwenden:
- Sie eignen sich nicht für sehr schnelle Schaltungen.
- Bei der Kombination mehrerer Gatter sind die Logikpegel nicht immer gewährleistet.
Belasteter Ausgang eines NOT-Gatters
In Bild 3 ist der Ausgang eines NOT-Gatters mit mehreren Eingängen von NOR-Gattern verbunden. Wenn der Ausgang des NOT-Gatters 1 ist, fließt ein Strom in den Eingang jedes NOR-Gatters. Dieser Strom erzeugt am Lastwiderstand R4 des NOT-Gatters einen Spannungsabfall. Wenn viele Eingänge von NOR-Gattern angeschlossen sind, wird die Spannung an R4 so weit reduziert, dass der Pegel nicht mehr ausreicht, um die angeschlossenen Gatter korrekt anzusteuern.
Das Problem der Belastung der Ausgänge durch die Eingänge besteht auch bei ICs. Bei CMOS ist der Eingangsstrom der Gatter so gering, dass es praktisch keine Begrenzung gibt. Bei der Transistor-Transistor-Logik (TTL) muss die Belastung der Ausgänge berücksichtigt werden. Diskretes AND
Die Wahrheitstabelle eines AND ist:
| A | B | AND |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Tabelle 2: AND
Der Aufbau eines AND-Gatters aus Transistoren und Dioden ist ebenso so einfach wie der Aufbau eines OR-Gatters. Diskrete AND-Gatter haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht immer korrekte Logikpegel garantieren.
Die Schaltung in Bild 4 ist einfach. Sie hat jedoch einen Nachteil.
Wenn ein Eingang auf 0 (LOW) liegt, wird der Ausgang des AND-Gatters über eine Diode auf 0V gezogen. Der Ausgang ist nicht genau 0V, sondern wegen der Flussspannung der Diode etwa 0,6V. Diese 0,6V können nachfolgende Schaltungen stören. Wir werden das in der folgenden NAND-Schaltung sehen.
Das AND-Gatter mit Dioden in Bild 4 ist nicht für TTL nicht geeignet, da es für eine logische 0 einen Pegel von 0,6V erzeugt.
Für CMOS ist dieses AND-Gatter aber gut geeignet.
NAND in DTL-Technik
Es gibt (gab) ICs mit Gattern in Technologie Diode-Transistor-Logik-Technologie, die wir hier als Beispiel betrachten werden.
Die Schaltung in Bild 5 stellt ein NAND-Gatter in DTL-Technologie dar.
Interessant sind die Dioden D2 und D3. Sie sorgen dafür, dass der Transistor bei 0 am Eingang garantiert ausgeschaltet ist. Ohne die Dioden würde der Transistor bei einer 0 am Eingang durch die Dioden D1 und D2 eine Spannung von 0,6V erhalten und somit noch einschalten. Die Dioden D2 und D3 benötigen je 0,6V. Damit wird der Transistor erst bei 1,8V einschalten.
Das NAND-Gatter in Bild 5 ist auch für TTL geeignet.
DTL-Gatter haben Eingänge, in die Strom fließt, wenn an ihnen 0 liegt. Werden sie an den Ausgang eines anderen DTL-Gatters angeschlossen, muss der Ausgangstransistor diesen Strom aufnehmen. Damit dieser nicht überlastet wird, ist die Anzahl der anschließbaren Eingänge begrenzt (meistens auf 10).
Diskretes NAND
NOT
Für NOT A wird oft die Abkürzung ^A verwendet.
Ein NAND-Gatter wird am besten indirekt aufgebaut.
| A | ^A | B | ^B | ^A OR ^B | A NAND B |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 |
Tabelle 3: NAND aus NOT und OR
In Tabelle 3 werden die Eingänge A und B zunächst zu ^A und ^B invertiert. Die invertierten Werte werden dann auf ein OR-Gatter gelegt. Das Ergebnis nach dem OR entspricht den Werten für NAND. Wir können also aus einem OR-Gatter mit vorgeschalteten Invertern ein NAND-Gatter bilden.
Bild 6 zeigt, wie ein NAND-Gatter aus Invertern und einem OR-Gatter aufgebaut werden kann. Die Schaltung ist aufwendig, da für jeden Eingang ein Inverter benötigt wird. Für NAND-Gatter ist der Einsatz von ICs sinnvoll.
TTL-NAND
Vielfach wird heute noch TTL (Transistor-Transistor-Logik) verwendet, meisten die Low-Power-Schottky-Technologie.
Bei der Low-Power-Schottky-Technologie werden Schottkydioden verwendet.
Das logische Gatter am Eingang wird mit Schottkydioden gebildet. An ihnen fällt nur eine geringe Flussspannung ab.
Die Eingangsschaltung erfordert, dass der Eingang auf 0V gezogen wird. Der Ausgang wird bei 0 durch Q3 auf 0V gezogen.
Die Schottkydioden über den Transistoren verhindern, dass die Transistoren vollständig durchschalten. Dadurch können die Transistoren schneller schalten.
Der Name TTL stammt von der Standardversion der TTL-Gatter, die keine Dioden am Eingang hatten, sondern einen speziellen Transistor.
Regeln: Gatter mit Transistoren
- Mit einem Transistor kann ein Inverter oder ein NOT-Gatter aufgebaut werden.
- Mit Dioden und Transistoren können OR oder NOR-Gatter einfach aufgebaut werden.
- Die Schaltungen können an CMOS angeschlossen werden.
- Nicht alle Schaltungen lassen sich an TTL anschließen.
- Bei diskret aufgebauten Logikschaltungen ist die Belastung der Ausgänge durch Eingänge zu beachten.
- Komplexe Logikschaltungen werden besser mit ICs aufgebaut.