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Praktische Elektronik


Wir lernen, wie einfache logische Gatter und Logikschaltungen mit Transistoren und Dioden aufgebaut werden können.


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Praktikum

Analogtechnik

Gatter mit Transistoren und Dioden

Inhalt

Einfache elektronische Sicherungen


Gatter mit Transistoren und Dioden

Wir müssen beachten, das wir positive Logik verwenden: 1 ist eine positive Spannung. Mit der logischen 0 ist 0V gemeint.

Transistor als Inverter

Wir kennen aus dem Praktikum Der Transistor bereits, das ein Transistor als Inverter fungieren kann. Das wird unser NOT-Gatter.

Transistor-NOT.png
Bild 1: NOT-Gatter mit einem Transistor

Das NOT-Gatter besteht aus drei Widerständen und einem Transistor. Der Widerstand R2 begrenzt den Basisstrom des Transistors. Durch den Widerstand R3 wird die 0 bei offenem Eingang gewährleistet. Der Widerstand R4 ist der Lastwiderstand des Transistors. Er zieht den Ausgang auf 1, wenn der Transistor nicht angesteuert ist, der Eingang auf 0 liegt.

Das NOT-Gatter in Bild 1 ist auch für TTL geeignet.

Die LED am Ausgang des NOT-Gatters belastet diesen. Da der Widerstand R5 vor der LED2 gleich groß ist wie der Lastwiderstand R4, wird die Ausgangsspannung des Gatters verringert. Wir müssen beachten, dass der Ausgang eines Inverters nicht beliebig belastet werden kann.

OR-Gatter mit Dioden

Wir können mit Dioden ein Gatter bauen.

Aus dem Praktikum Alles NAND, ODER? kennen wir bereits die logische ODER-Funktion mit der Wahrheitstabelle:

K L OR
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Tabelle 1: OR

Die Schaltung ist relativ einfach:

Diode-OR.png
Bild: OR-Gatter aus Dioden

Wenn einer der beiden Taster betätigt wird, leuchtet die jeweilige LED und auch LDE3, weil Strom über eine Diode fließt. Die Dioden sind wichtig, weil sonst beispielsweise beim Betätigen des Tasters T1 auch die LED2 leuchten würde. Die Diode D2 sperrt dann und verhindert dieses.

Das eigentliche OR-Gatter besteht nur aus den beiden Dioden D1 und D2 sowie dem Widerstand R3.

Wenn wir auf diese Weise ein einfaches OR-Gatter an Logik-IC anschließen wollen, ist die Entkopplung durch Dioden sehr wichtig, weil sich die Ausgänge sonst beeinflussen.

Der Widerstand R3 ist wichtig, weil sonst be offenen Schaltern der Logikpegel des Ausgangs nicht definiert ist. Wenn CMOS-Gatter an den Ausgang angeschlossen werden, ist R3 unverzichtbar. R3 dagegen kann entfallen, wenn andere (Widerstands-) Lasten nach 0V liegen.

Bei TTL kann mit R3 keine logische 0 erzeugt werden.

Regel

  • Ein einfaches OR-Gatter kann mit Dioden und einem Widerstand aufgebaut werden.
  • Pro Eingang ist eine Diode notwendig.
  • Der Widerstand am Ausgang gewährleistet den Pegel 0, wenn alle Eingänge auf 0 liegen.
  • Das OR-Gatter kann mit Dioden kann nicht bei TTL eingesetzt werden.

Das NOR-Gatter

Kombinieren wir das Dioden-OR mit dem Transistor-NOT.

Diode-NOR.png
Bild 2: NOR-Gatter mit Dioden und einem Transistor

Wir konnten uns den Widerstand am Ausgang des OR-Gatters ersparen, weil die Widerstände R4 und R5 am Eingang des Transistor-NOT bereits 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, so dass sich der Einsatz von ICs lohnt. Es gibt noch weitere Gründe auf Gatter aus diskreten Bauelementen zu verzichten:

  • Sie sind nicht für sehr schnelle Schaltungen geeignet.
  • Bei der Kombination von mehreren Gattern sind die Logikpegel nicht immer gewährleistet.

Belasteter Ausgang eines NOT-Gatters

Transistor-NOT-belastet.png
Bild 3: NOT-Gatter mit Belastung

In Bild 3 wird der Ausgang eines NOT-Gatters mit vielen Eingängen von NOR-Gattern verbunden. Wenn der Ausgang des NOT-Gatters 1 ist, fließt in den Eingang jedes NOR-Gatters ein Strom. Dieser Strom erzeugt am Lastwiderstand R4 des NOT-Gatters einen Spannungsabfall. Wenn viele Eingängen von NOR-Gattern angeschlossen sind, wird die Spannung an R4 so weit reduziert, dass der Pegel nicht mehr ausreicht, die angeschlossenen Gatter korrekt zu treiben.

Diskretes AND

Der Aufbau eines AND-Gatters aus Transistoren und Dioden ist nicht so einfach wie OR.

Diode-AND.png
Bild 4: AND-Gatter mit Dioden

Die Schaltung in Bild 4 sieht nicht sehr kompliziert aus, sie hat allerdings einen Nachteil. Wenn ein Eingang auf 0 liegt wird der Ausgang des AND-Gatter über eine Diode nach 0V gezogen. Aber der Ausgang ist nicht ganz 0V, sondern wegen der Flussspannung der Diode etwa 0,6V. Diese 0,6V kann nachfolgende Schaltungen stören. Wir werden dieses gleich in der nachfolgenden NAND-Schaltung sehen.

Das AND-Gatter in Bild 4 ist nicht für TTL geeignet, weil für eine "0" 0,6V entsteht.

NAND in DTL-Technik

Es gibt (gab) ICs mit Gattern in der Technik Diode-Transistor-Logik, die wir hier als Beispiel betrachten werden.

DTL-NAND.png
Bild 5: NAND-Gatter in DTL-Technik

Die Schaltung in Bild 5 stellt ein NAND-Gatter in DTL-Technik dar.

Interessant sind die Dioden D2 und D3. Sie sorgen dafür, dass der Transistor garantiert ausgeschaltet ist, wenn ein Eingang auf 0 liegt. Ohne die Dioden würde der Transistor bei einer 0 am Eingang aufgrund der Dioden D1 und D2 eine Spannung von 0,6V erhalten und damit 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 Anzahl der anschließbaren Eingänge (meistens auf 10) beschränkt.

Diskretes NAND

Diode-Transistor-NAND.png
Bild 6: NAND-Gatter aus NOT und OR

Bild 6 zeigt, wie ein NAND-Gatter aus Invertern und einem OR-Gatter aufgebaut werden kann. Die Schaltung ist aufwändig, weil für jeden Eingang ein Inverter benötigt wird. Für NAND-Gatter ist es sinnvoll ICs einzusetzen.

TTL-NAND

Vielfach wird heute noch TTL (Transistor-Transistor-Logik) eingesetzt, meisten die Low-Power-Schottky-Technologie.

TTL-NAND.png
Bild 7: Low-Power-Schottky-TTL-NAND

Die Low-Power-Schottky-Technologie verwendet Schottky-Dioden.

Die Eingangsschaltung erfordert, dass der Eingang nach 0V gezogen wird. Der Ausgang wird bei 0 durch Q3 nach 0V gezogen.

Die Schottky-Dioden über den Transistoren verhindern, dass diese ganz durchschalten. Dadurch können die Transistoren schneller schalten.

Der Name stammt von der Standardversion der TTL-Gatter, die keine Dioden am Eingang hatten, sondern einen Spezialtransistor hatten.

Regel

  • Mit einem Transistor kann ein Inverter bzw. 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 können an TTL angeschlossen werden.
  • Bei diskret aufgebauten Logikschaltungen muss die Belastung der Ausgänge durch Eingänge beachtet werden.
  • Komplexe Logikschaltung werden besser mit ICs aufgebaut.