Diskrete Gatter - Logik
ganz ohne Kleidung
Nicht nur in reinen Digitalschaltungen wird hin und
wieder die eine oder andere Logikgatter gebraucht. Meist greift man bei solchen Problemen
auf fertige Schaltkreise zurück. Dies ist aber nicht immer sinnvoll:
- Zum Einen benötigen die Schaltkreise oft recht viel
Platz und das, obwohl man nur ein einzelnes Gatter benötigt wird.
- Jeder Schaltkreis muss auch mit Spannung versorgt
werden, was den Schaltungsaufbau erschwert.
- Die Gatter-Schaltkreise können meist nur sehr
geringe Ströme treiben und sind auch nur für recht geringe Spannungen geeignet.
Oft ist es aber möglich, einzelne Logikfunktion mit
diskreter Technik zu bilden. Hier sollen die Grundfunktionen mit Relais, in
Dioden-Transistor-Technik (DTL), Transistor-Transistor-Logik (TTL) und mit
MOSFET (CMOS) erläutert werden. Es wäre auch möglich noch die Röhrentechnik dazu
zu nehmen. Aber der Versuchsaufbau ist hier zu aufwendig. Ebenso wendet heute
wohl kaum jemand mehr Röhren für die Digitaltechnik an, so dass hier auf die
Erläuterung dieser Technik verzichtet wird.
Es werden hier auch nur die Grundfunktionen
dargestellt. Alle weitere lassen sich dann ableiten. Z.b. Eine NAND-Funktion
entsteht durch eine UND mit nach geschalteter Nicht-Funktion.
 Bevor
wir uns in die Versuche stürzen, bauen wir auf dem Steckboard erst
einmal eine Grundschaltung auf. Die bleibt für alle Versuche gleich. Nur
der entsprechende 'Kern' wird dann geändert.
In den Schaltplänen wird dieser Aufbau auch
nicht immer wieder mit gezeichnet um die Übersichtlichkeit zu
verbessern. Auf den Bauplänen jedoch, bleibt der Aufbau erhalten.
Um Signale an die Logikfunktion zu geben,
werden hier einfach 2 Taster mit PullDown-Widerständen verwendet. Die
Signale können dann entsprechend bei A und B abgegriffen werden.
Das Ergebnis der Verknüpfung wird
anschließend auf den Ausgangstreiber Q geleitet. Bei einem 1-Signal
leuchtet die LED auf. |
Bei der Relaistechnik kann man die meisten Funktionen
recht leicht nachbilden. Aufgrund der Tatsache, dass man hier von DIL-Relais bis
zum Hochlast-Schütz alles einsetzen kann, ist diese Technik sehr gut an die
diversen Leistungen und Spannungen anpassbar. Trotzdem eignet sich diese Technik
wirklich nur für kleine Verknüpfungsschaltungen, da der Stromverbrauch pro
Relais um Einiges höher ist, als bei anderen Techniken. Des Weiteren ist diese
Art der Verknüpfung noch mit einer recht langsamen Ausführgeschwindigkeit
belastet.
 Das
Nicht-Gatter ist in der Relais-Technik einfach zu bewerkstelligen. Es
wird einfach ein Öffner-Kontakt beschaltet.
Wird jetzt ein 1-Signal auf die Funktion
gegeben, zieht das Relais an und öffnet den Kontakt. Somit ergibt sich
an Q ein 0-Signal.
Wird ein 0-Signal auf den Eingang gegeben,
so ist der Kontakt geschlossen und Q gibt ein 1-Signal ab.
Die eingebaute Zenerdiode dient hier nur zur
Spannungsreduzierung, da in diesem Lehrgang 6V (5V) Relais verwendet
werden. |
 Die
UND-Funktion ist aber in Relaistechnik auch nicht wirklich kompliziert.
Hier werden einfach die beiden
Schließer-Kontakte der beiden Relais einfach in Reihe geschaltet. So
kann der Strom nach Q nur fließen, wenn beide Relais durchgesteuert
sind. Also A und B ein 1-Signal erhalten. |
 Im
Gegensatz zur UND-Funktion werden bei der ODER-Funktion einfach die
beiden Schließer-Kontakte parallel geschaltet.
Jetzt muss nur eines der beiden Relais oder
auch beide Relais zusammen durch ein 1-Signal an A oder B angesteuert
werden, damit der Strom an Q gelangt und somit hier auch ein 1-Signal
abgibt. |
Exklusiv-ODER-Funktion
(XOR)
 Selbst
so eine recht komplexe Funktion wie das Exklusiv-ODER lässt sich mit
Relais relativ gut realisieren.Hier
wird ein Schließer vom ersten Relais mit dem Öffner des zweiten Relais
verbunden und umgekehrt.
Der Strom kann nur fließen, wenn nur eines
der beiden Relais angezogen hat. Sind beide deaktiv oder beide zusammen
angesteuert so wird der Strom von einen der beiden Kontakte blockiert. |
UND-Nicht-Funktion (NAND)
 Verwendet
man bei der ODER-Funktion anstelle der Schließer die Öffner-Kontakte so
erhält man eine UND-Nicht-Funktion.
Hier fließt der Strom solange nach Q wie eines der beiden Öffner noch
geschlossen sind. Erst, wenn beide Relais anziehen, werden auch beide
Kontakte geöffnet und Ausgang Q erhält kein 1-Signal mehr. |
ODER-Nicht-Funktion (NOR)
 Ein
ähnliches Prinzip setzen wir hier bei der ODER-Nicht-Funktion ein. Hier
werden beim UND-Gatter die Schließer gegen Öffner getauscht.
Der Strom wird unterbrochen, wenn eines oder
beide Relais anzieht. |
DTL
(Dioden-Transistor-Logik)
Häufig kommt es vor, dass man schnell einmal eine
einfach UND oder ODER-Verknüpfung braucht. Hier jedes Mal einen integrierten
Schaltkreis einzusetzen, ist nicht immer erforderlich. Man kann sich auch mit
Dioden und Transistoren behelfen.
Für diese Technik spricht auch noch, dass man hier
sogar mit großen Spannungen arbeiten kann, welche bei der integrierten Technik
schon oft zum Problem wird und sich nur durch ergänzende Treiberschaltungen
lösen lässt.
 Will
man die UND-Funktion mit Dioden realisieren, so muss man die Dioden mit der
Kathode zu den Eingängen schalten.Die
UND-Funktion ergibt sich daraus, dass der Ausgang nur ein 1-Signal bekommt,
wenn beide Dioden sperren. Hat auch nur eine der beiden Dioden Verbindung
zum Minus-Pol (0-Signal), hier durch RA oder RB realisiert, wird der Ausgang
auch auf 0 gezogen.
Nachteil dieser Schaltung ist es, dass die
Widerstände genau dimensioniert werden müssen, wie man bei diesem
Versuchsaufbau auch gut sieht. Die Funktion ist hier nicht wirklich perfekt. |
 Viel
unproblematischer ist hingegen die ODER-Verknüpfung. Hier muss nur an einen
der beiden Eingängen ein Plus-Signal angelegt werden, schon leitet die
entsprechende Diode und der Ausgang führt ebenso ein 1-Signal. Sind beide
Dioden gesperrt, so sorgt der Widerstand für ein 0-Signal. |
 Für
den Inverter in der DTL-Technik, kommen wir ohne einen Transistor nicht mehr
aus. Aus diesem Grund gibt es leider auch keine reine Dioden-Logik.
Die Funktion des Inverters sollte jedem
angehenden Elektroniker sofort klar sein. Liegt eine positive Spannung am
Transistor, schaltet dieser durch und legt somit den --Pol an den Ausgang.
Die Leuchtdiode verlischt. Ist der Transistor nicht durchgesteuert,
ist der +-Pol über R2 an den Ausgang geschaltet und unsere LED leuchtet auf. |
Nun kommen wir zu einer Technik die auch heute noch
weit verbreitet ist. In der TTL-Technik (Transistor-Transistor-Logik) wird die
Logik über Transistoren realisiert und auch die Ausgänge werden durch
Transistoren gesteuert. In der TTL-Technik gibt es noch weitere Unterfamilien,
welche hier nun nicht alle einzeln aufgeführt werden. Am Schluss dieses
Lehrgangs wird darauf aber noch einmal eingegangen.
 Die
Schaltungen der TTL-Technik sehen teilweise ein wenig ungewohnt aus. Um
die Funktionsweise zu verstehen, nehmen wir uns erst einmal die
NICHT-Funktion vor.
Typisch für
TTL-Schaltungen sind die
Gegentaktverstärker - Alles auf einmal
am Ausgang. Diese sorgen dafür, dass immer die Betriebsspannung oder das
0-Potential durchgeschaltet wird.
Wird am Eingang ein 0-Signal angelegt, so
kann T1 durchsteuern, da über R1 ein Basisstrom zum Emitter fließen
kann. Dies wiederum sorgt dafür, dass auch T2 an 0V geschaltet wird und
somit sperrt. Die Gegentaktstufe erhält somit, über R2, eine positive
Spannung und steuert durch.
Versorgt man Eingang A jedoch mit einer
positiven Spannung, so sperrt T1. T2 kann nun über R2 durchsteuern und
versorgt somit die Gegentaktstufe mit einem 0-Potential. Am Ausgang
erscheint ein 0-Signal.
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ODER-Nicht-Funktion (NOR)
 Auf
der Grundlage der NICHT-Verknüpfung kann man die weiteren Grundfunktionen
erstellen.Hier werden im Grunde 2
Inverter-Stufen parallel geschaltet. Damit entsteht dann eine
ODER-NICHT-Funktion. |
UND-Nicht-Funktion (NAND)
 Die
UND-NICHT-Funktion ist auch nicht wirklich komplizierter. Hier werden nur
die beiden Verknüpfungstransistoren in Reihe geschaltet. |
Exklusiv-ODER-Funktion (XOR)
Der innere Aufbau des Exklusiv-ODER-Gatters ist schon
äüßerst komplex. Hier findet man im Grunde eine Kombination aus einer
UND-Funktion (T1-T4) und einer ODER-Funktion in einer Schaltung (T6+T7). Da dass
Ergebnis dieser Verknüpfung invertiert ist, muss noch eine Inverter-Stufe
hinzugefügt werden.
Exklusiv-ODER-Nicht-Funktion (XNOR)
Um aus einer
Exklusiv-ODER-Funktion eine Exklusiv-ODER-Nicht-Funktion zu machen, muss man
hier jetzt einfach nur die letzte Inverter-Stufe entfernen.
Mit der TTL-Technik lassen sich schon alle
erdenkbaren logischen Schaltungen bis hin zu ganzen Mikrorechnern erstellen. Nur
hat die TTL-Technik einen ganz großen Nachteil. Selbst bei guter Dimensionierung
benötigt so eine Schaltung, bedingt durch die stromgesteuerten bipolaren
Transistoren, eine recht große Menge an Energie. Bei kleinen Steuerungen ist
dies ja noch zu vertreten. Man schaue sich aber einmal heutige Prozessoren z.B.
an. Diese haben leicht einige 100000 Transistorfunktionen auf dem Chip. Nun kann
sich jeder selbst ausrechnen, welchen Strombedarf so ein Baustein hätte. Hier
müsste man dann sprichwörtlich einen Bollerwagen mit dem Akku hinter sich
herziehen, wenn die heutigen Mobilfunktelefone aus bipolaren Transistoren,
sprich in TTL-Technik, realisiert worden wären.
Moderne Prozessoren und auch Schaltkreise bestehen
daher aus MOSFET-Transistoren. Diese haben, neben dem fast energielosen
Schalten, noch den Vorteil, dass diese auf dem Chip nur äußerst wenig Platz
beanspruchen und einfach zu realisieren sind. Daher lassen sich auch sehr
komplexe Schaltkreise entwerfen welche nicht nur wenig Energie benötigen sondern
auch noch sehr klein gehalten werden können.
 In
der CMOS-Technik wird im Prinzip nur der Inverter verwendet, welcher hier
einzeln zu sehen ist. Mit SA geben wir das Eingangssignal ein.Liegt am Eingang
ein 0-Signal, so kann T1 durchsteuern und schaltet somit die
Betriebsspannung durch. Am Ausgang liegt eine 1.
Wird der Eingang mit 1, also eine Spannung
nahe der Betriebsspannung versorgt, wird T2 leitend und setzt den Ausgang
auf GND, also einem 0-Signal. Das Signal wird somit invertiert. |
UND-Nicht-Funktion (NAND)
 Wie
bei der UND-Nicht-Funktion gefordert, kann hier der Ausgang nur ein 0-Signal
liefern, wenn beide Eingänge eine 1 erhalten. In diesem Fall steuern T3 und
T4 durch und legen den --Pol auf den Ausgang. T1 und T2 sperren dem
entsprechend.Ist auch nur ein Eingang
oder beide Eingänge auf 0, so steuert entweder T1 oder T2 oder beide durch
und legen die Betriebsspannung an den Ausgang. |
ODER-Nicht-Funktion (NOR)
 Bei
der ODER-Nicht-Funktion wird die Verdrahtung im Grunde einmal umgeklappt.
Hier wird dann nur die Betriebsspannung durchgeschaltet, wenn beide Eingänge
ein 0-Signal führen.Führt mindestens
ein Eingang ein 1-Signal, so wird einer der beiden Transistoren T3 oder T4
aktiv und das Messepotential wird auf den Ausgang gelegt und einer der
beiden Transistoren T1 oder T2 verhindern das Durchschalten der
Betriebsspannung. |
Neben den üblichen Gegentaktausgängen bei
integrierten Digital-Schaltkreisen, gibt es noch einige Ausgangsarten, die man
kennen sollte. Diese sind nötig um, z.B. Computerschaltungen, aufzubauen.
Open-Collector /
Open-Drain
 Beim
Open-Collector, respektive Open-Drain-Ausgang, bei der CMOS-Technik, wird
einfach der obere Transistor weggelassen und der untere dann durch ein
NPN-Transistor bzw. N-Kanal MOSFET ersetzt, welcher das 0-Potential
durchschaltet. Hierdurch ist es z.B. möglich Verbraucher zu steuern, welche
eine höhere Betriebsspannung benötigen, als die von der entsprechenden
Logik-Familie vorgesehenen Spannung.
Hierbei wird der Verbraucher immer mit der Betriebsspannung verbunden und
der Massenschluss läuft dann über den entsprechenden Schaltkreis-Ausgang.
Des Weiteren kann man mit dem Open-Collector
ein so genanntes Wired-Or realisieren. Hier werden mehrere Ausgänge
zusammengeschlossen und dann mit einem gemeinsamen PullUp-Widerstand an die
Betriebsspannung gelegt. Hierdurch sind einfache Bussysteme möglich. Da sich
hier das Ergebnis des Signalpegels aller vorhandener Ausgänge wie eine
ODER-Verknüpfung verhält, nennt sich diese Art der Verbindung eben Wired-Or. |
Beim TriState-Ausgang wird dafür gesorgt, dass beide
Ausgangstransistoren sperren. So sieht es für die weiteren Gatter, welche an
diesen Ausgang angeschlossen sind, so aus als würde es diesen Ausgang gar nicht
geben. Er verhält sich also Neutral.
