v01_Digitale Grundschaltungen und Kennwerte.pdf

Digitale Grundschaltungen und Kennwerte
1 Zielstellung des Versuches
In diesem Praktikumsversuch werden Sie mit den Eigenschaften und Anwendungen von
digitalen Grundschaltungen vertraut gemacht. Weiterhin werden die logischen Zustände, die
Spannungs- und Stromwerte sowie das zeitliche Schaltverhalten der TTL- und CMOS-
Schaltkreisfamilien untersucht. Einfache Schaltnetze sollen konzipiert und aufgebaut
werden.
2 Technische und theoretische Grundlagen
Transistoren können nicht nur als Linearverstärker, sondern auch als Schaltverstärker
eingesetzt werden. Die gesamte elektrische Digitaltechnik beruht auf der Unterscheidung, ob
ein Schalter geöffnet (kein Stromfluß) oder geschlossen (es fließt ein Strom) ist.
Hier können bipolare oder unipolare Transistoren eingesetzt werden.
Mit diesen Transistoren sind von der Industrie integrierte Schaltkreise hergestellt worden ,
die nach dem binären Logiksystem unterschiedlichste Signale veknüpfen können. Es
genügen einige wenige Verknüpfungsglieder (Grundgatter), um alle anliegenden
Forderungen der Digitaltechnik zu verwirklichen.

2
2.1 Transistor-Transistor-Logik TTL
Bild 1: 4-fach NAND-Gatter in TTL-Technik (7400)
Die TTL -Logik existiert nur in integrierter Form und ist die zur Zeit am weitesten verbreitete
Technologie. Typisch ist eingangsseitig ein Multi-Emittertransistor.
Bild 2: innerer Aufbau eines 3-fach NAND-Gatters in TTL-Technik
a) mit Gegentaktausgang b) mit offenem Kollektorausgang
2.2 Schottky-TTL-Logik
Durch den Einsatz von Schottky-Antisättigungsdioden, parallel zur Basis-Kollektordiode
geschaltet, werden die Speicherzeiten bedeutend verringert und die Logikschaltung hat
kürzere Schaltzeiten.
Bild 3:
innerer Aufbau eines 3-fach NAND-Gatters in Schottky TTL-Technik

3
2.3 Wirkungsweise der TTL -Gatter
Im folgenden werden kurz die wichtigsten Eigenschaften aufgelistet:
-Bei TTL-Gattern wird immer die positive Logik benutzt.
-Jeder unbeschaltete, offenliegende Eingang eines TTL-Schaltkreises führt das Potential H.
-Ein NAND-Gatter, dessen Eingänge unbeschaltet sind, hat deshalb das Ausgangspotential
L.
-Mehrere zusammengeschaltete Eingänge wirken wie ein Eingang.
-Werden alle Eingänge zusammengeschaltet, wird aus einem NAND-Gatter ein Inverter.
-Die Zahl der an einen Gatterausgang anschaltbaren Eingänge ist begrenzt und wird durch
den Lastfaktor angegeben.
-Der Ausgangslastfaktor (Fan-out) ist FQ = 10 und der Eingangslastfaktor (Fan-in) ist FI = 1.
-Ausgänge von TTL-Gattern (nach Bild 2a) dürfen nicht parallel geschaltet werden.
-Diese Vorschrift gilt nicht für TTL-Gatter mit einem offenen Kollektorausgang (Bild 2 b).
-Der Ausgang eines TTL-Schaltkreises ist kurzschlußfest. Begrenzt wird der
Kurzschlußstrom durch den Kollektorwiderstand R4 des oberen Ausgangstransistors
(nach Bild 2a).
-Pro Schaltkreis darf nur ein Ausgang kurzgeschlossen werden, da sonst die zulässige
Verlustleistung überschritten wird.
2.4 CMOS- Logik Schaltkreisfamilie
Bild 4: 4-fach NAND Gatter in CMOS-Technik (4011)
CMOS-Schaltkreise haben eine sehr niedrige Verlustleistung, eine hohe Störsicherheit und
einen großen Speisespannungsbereich.
Bild 5: CMOS-NAND - Gatter

4
2.5 Wirkungsweise von CMOS-Gattern
Im folgenden werden kurz die wichtigsten Eigenschaften aufgelistet:
-CMOS-Gatter sind auschließlich mit selbstsperrenden MOS-FET aufgebaut.
-Sie sind gekennzeichnet durch einen symmetrischen Schaltungsaufbau.
-Ein Beispiel dafür ist die Schaltung eines CMOS-NICHT-Gliedes.
Bild 6: CMOS-NICHT-Glied
- In Abhängigkeit vom Pegel am Eingang E wird jeweils ein MOS-FET gesperrt.
- Ausgehend vom CMOS-NICHT-Glied lassen sich NAND- und NOR-Verknüpfungen
erzeugen.
3. Aufgaben zur Versuchsvorbereitung
Die Aufgaben 3.1 und 3.2 sollen zum Labortermin schriftlich ausgearbeitet werden
und sind Bestandteil des Protokolls.
3.1 Diskutieren Sie die folgenden Begriffe für die 2 Schaltkreisfamilien (TTL,CMOS)
-Strom- und Spannungswerte am Ausgang
-Störspannungsabstand
-Übertragungskennlinie
-Verzögerungszeiten
-Grenzfrequenzen
3.2 Erläutern Sie die genaue Wirkungsweise logischer Verknüpfungsschaltungen
-Schaltungstechnische Maßnahmen (z.B. Pegelverschiebungsdiode)
-Ausgangsschaltungen: Gegentaktausgang, Open-Kollektor Ausgang, Tri-State Ausgang
4 Versuchsaufgaben
4.1 Aufgabe : Untersuchen Sie die Funktion eines TTL NOR - Gliedes.
Bauen Sie die Schaltung nach der vorgegebenen Geräteanordnung
auf. Für die Eingänge sind dabei Kippschalter zu verwenden. Die
Signalzustände können durch LED’s sichtbar gemacht werden.
Messen Sie die Ausgangsspannung bei allen Eingangskombinationen
und tragen Sie die Werte in eine Arbeitstabelle ein.
Schalten Sie an den Ausgang des 1. Verknüpfungsglieds ,über ein
Strommesser, ein weiteres Verknüpfungsglied an und messen Sie den
Strom für alle Eingangskombinationen.

5
Bild 7: Meßschaltung
NOR-Gatter
4.2 Aufgabe: Zur Darstellung der Übertragungskennlinie eines TTL-Gatters schalten
Sie die Eingänge des NOR-Gatters parallel und geben Sie ein
dreieckförmiges Signal auf den Eingang. Die Abhängigkeit der
Ausgangsgröße von der Eingangsgröße ist auf einem Oszilloskop
darzustellen und auf Millimeterpapier zu übertragen. Stellen Sie die
Meßbereiche so ein, dass Sie eine größtmögliche Darstellung auf dem
Bildschirm erreichen.
Hinweis : Eingangsspannung auf den CH2 und Ausgangsspannung
auf den CH1 legen.
Meßspannung = Dreieck ; Meßfrequenz ca. 60 Hz. (Verwenden Sie
den Analogausgang des Funktionsgenerators. Amplitude =5V, Offset =
2,5V )
Es ist auf eine gemeinsame Masseleitung zu achten und die
Signale müssen auf dem Oszilloskop mit DC-Kopplung
dargestellt werden!
Bild 8: Messschaltung für die Übertragungskennlinie

6
4.3 Aufgabe: Wiederholen Sie die Messung nach Punkt 4.2 mit einem CMOS-
Gatter. Vergleichen Sie die Ergebnisse der 2 Gattertypen miteinander.
Was ist aus den Übertragungskennlinien zu entnehmen.
4.4 Aufgabe: Zur Messung und Darstellung der Verzögerungszeiten an digitalen
Grundgattern wird die Versuchsschaltung mit 4 TTL-Grundgattern
(siehe Bild 9) aufgebaut. Als Eingangssignal wird das TTL-Signal
(mittlerer BNC-Ausgang) vom Funktionsgenerator bei einer Frequenz
von ca. 1075 kHz eingesetzt. Beide Amplitudenbilder sind auf dem
Oszilloskop übereinander darzustellen und maximal aufzuregeln.
Übertragen Sie das erhaltene Oszillografenbild auf Millimeterpapier
und geben Sie die Verzögerungszeit für ein TTL-Grundgatter an.
Machen Sie die gleiche Messung bei CMOS-Gattern.
t = X ( T ) * Ablenkfaktor ms ( 1/T )
Bild 9: Meßschaltung zur Schaltzeitenmessung
5 Literatur
[1] ELWE Lehrgeräte und Systeme für die Elektronik 1992
[2] Kühn/Schmied Handbuch integrierte Schaltkreise Verl.Technik 1980
[3] E.Böhmer Elemente der angewandten Elektronik Vieweg 1992
[4} E.Schrüfer Elektrische Meßtechnik Studienbücher1984
[5] Dugge/Haferkamp Grundlagen der Elektronik Vogel-Verlag 1989
[6] Lichtenberger Praktische Digitaltechnik Hüthig 1992
[7]* K.Beuth Digitaltechnik Vogel-Verlag 1992
[8]* P. Pernards Digitaltechnik Hüthig 1992
Die mit * gekennzeichnete Literatur ist vorrangig zu verwenden.