Technische Informatik 1: Grundlagen der digitalen Elektronik

297 Pages·1996·8.261 MB·German

by  Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann, Dipl.-Phys. Robert Schmitz (auth.)

Springer -Lehrbuch
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
SantaCiara
Singapur
Tokio
Wolfram Schiffmann
Robert Schmitz
Technische
Informatik 1
Grundlagen cler cligitalen Elektronik
Dritte Auflage
mit 244 Abbildungen
, Springer
Dr.-Ing. Wolfram Schiffm ann
Dipl.-Phys. Robert Schmitz
Un iversitat Koblenz-Landau
Institut fUr Physik
Rheinau 1
56075 Koblenz
ISBN-13: 978-3-540-60710-6 e-ISBN-13: 978-3-642-97667-4
DOl: 10.1007/978-3-642-97667-4
Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme
Technische Informatik I W. Schiffmann ; R. Schmitz; J. Weiland. -
Berlin; Heidelberg ;New York; Barcelona; Budapest; Hongkong ;
London; Mailand ; Paris; Santa Clara; Singapur ; Tokio: Springer
(Springer-Lehrbuch)
Bd. 1 und 2. verf. von W. Schiffmann ; R. Schmitt
NE: Schiffmann, Wolfram; Schmitz, Robert; Weiland, Jilrgen
1. Grundlagen der digitalen Elektronik. -3. Aufl. -1996
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begriindeten Rechte,
insbesondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, desVortrags,der Entnahmevon
Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Verviel
fliltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch beinur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.Eine Vervielfliltigung
dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den
Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesre
publikDeutschland vOmJ. Septemben965 in derjeweils geltenden Fassungzulassig.
Sie istgrundsiitzlich vergiitungspftichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Straf
bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
@ Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992, 1993 and 1996
Die Wiedergabevon Gebrauchsnanlen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw.
in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der
Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz
Gesetzgebungalsfreizubetrachten waren unddahervon jedermann benutztwerden
diirften.
Sollte in diesem Werk direktoder indirekt aufGesetze, Vorschriften oder Richtlini
en (2o.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so
kann der Verlag keine Gewiihr fUr die Richtigkeit, Vollstiindigkeit oder Aktualitiit
Ubemehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fUr die eigenen Arbeiten die voll
stiindigen Vorschrlften oder Richtlinienin derjeweilsgiiltigen Fassung hinzuzuziehen.
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren
SPIN: 1052.7]11 62./302.0 -5 43 2.1 0 - Gedruckt auf siiurefreiem Papier
Vorwort
Der vorliegende Band 1 des Buches Technische Informatik entstand aus Skrip
ten zu Vorlesungen, die wir an der Universitat Koblenz fUr Informatikstuden
ten gehalten haben. Es ist unser Anliegen zu zeigen, wie man elektronische
Bauelemente nutzt, um Rechnersysteme zu realisieren. Mit dem dargebotenen
Stoff solI der Leser in die Lage versetzt werden, die technischen Moglichkeiten
und Grenzen solcher Systeme zu erkennen. Dieses Wissen hilft ihm einerseits,
die Leistungsmerkmale heutiger Rechnersysteme zu beurteilen und andererseits
kiinftige Entwicklungen richtig einzuordnen.
Jeder, der heute Computer einsetzt, mull aus einem breiten Angebot von
Rechnerkomponenten eine Konfiguration auswahien, die seine personlichen An
forderungen erfUIlt und gleichzeitig kostengiinstig ist. Die richtige Auswahl an
hand der Kenngrollen von Complltern und Peripheriegeraten setzt ein solides
Grundwissen iiber deren technische Realisierung voraus. Dieses Grundwissen
wird hier vermittelt. Del' Stoff ist vom Konzept her auf das Informatikstudium
ausgerichtet - aber auch fUr aIle diejenigen geeignet, die Computer einsetzen
und sich intensiver mit der Hardware auseinanderetzen mochten. Somit konnen
z.B. auch Elektrotechniker oder Maschinenbauer von dem vorliegenden Text
profitieren.
Fiir die Lektiire geniigen Grundkenntnisse in Physik und Mathematik. Die
DarsteIlung des Stoffes erfolgt bottom up, d.h. wir beginnen mit den grund
legenden physikalischen Gesetzen und beschreiben schlief3lich aIle wesentlichen
Funktionseinheiten, die man in einem Rechnersystem vorfindet.
Del' Stoff wurde auf zwei Bande aufgeteilt: Del' vorliegende Band 1 Grund
lagen der digitalen Elektronik fUhrt zunachst in die fUr die Elektronik wesent
lichen Gesetze del' Physik und Elektrotechnik ein.
1m ersten Kapitel Grundlagen der Elektrotechnik werden Begriffe zur Be
schreibung elektrischer und magnetischer Vorgange eingefUhrt und durch Ex
perimente veranschaulicht. Diese Begriffe sind notwendig fUr das Verstandnis
der Gesetze del' Elektrotechnik, del' Funktionsprinzipien von Halbleiterbauele
menten und Datentragern auf ferromagnetischer und magneto-optischer Ba
sis. Auch physikalische EinfHisse bei der Dateniibertragung werden mit die
sen Begriffen erlautert; z.B. Rcflcxionserscheinungen auf lang en Leitungen und
Moden-Ausbildung bei LichtwcIlenleitern. Halbleiterbauelemente bilden die tech·
Vorwort
vi
nisehe Voraussetzung fiir den Bau von Computern. In diesem Kapitel werden
Aufbau und Funktion der gebrauchlichsten Bauelemente beschrieben: Bipolar
und Unipolartransistoren (MOS-FETs), optoelektronische- und Gallium-Ar
senid Halbleiterbauelemente.
Die Grundverkniipfungen der Schaltalgebra werden mit Verknupfungsglie
dern realisiert. Es werden die elektronischen Konzepte zur Realisierung der
Verkniipfungsglieder beschrieben, die zu den verschiedenen Schaltkreisfamilien
fiihrten: TTL, ECL, NMOS, PMOS und CMOS.
Mit Verkniipfungsgliedern werden Schaltnetze realisiert. Theoretische Grund
lage dafiir ist die Schaltalgebra. Das Kapitel beginnt mit einer Einfiihrung der
Begriffe der Schaltalgebra. Dann werden Funktionseinheiten von Rechenwer
ken - Codierer, Addierer, Multiplexer - in Analyse und Synthese beschrieben.
Verschiedene Realisierungsformen von Schaltnetzen ROM, PROM, EPROM
und PAL-Bausteine werden vorgestellt. Zum SchluB wird die Entstehung von
Hazards erlautert.
Speichergliedersind Voraussetzung fiir den Aufbau von Schaltwerken. In die
sem Kapitel wird das Funktionsprinzip von SpeichergIiedern beschrieben. Nach
Wirkung der Eingangsvariablen auf die Ausgangsvariablen und Wirkungsweise
des Taktsignales gibt es unterschiedIiche Arten von FIipflops, deren Eigenschaf
ten erlautert werden.
1m letzten Kapitel werden einfache Schaltwerke behandelt. In Analyse und
Synthese werden die Komponenten und die Funktion von Schaltwerken exem
plarisch an Beispielen dargestellt. Jedes Schaltwerk ist ein Datenverarbeitungs
system. Auf der Grundlage einfacher Schaltwerke hat sich die Rechnerarchitek
tur entwickelt.
Bei der Einfiihrung von Begriffen, der Beschreibung der Bauelemente und
der Bauglieder wird die Bedeutung und der EinfluB auf die Eigenschaften der
Rechnerkomponenten aufgezeigt. Begriffe und Definitionen wurden mogIichst
nach DIN verwendet; z.B. VerkniipfungsgIieder statt Gatter.
Der Band 2 Grundlagen der Computertechnik schIieBt mit den komplexen
Schaltwerken an Band 1 an. Ausgehend vom Operationsprinzip des von-Neu
mann-Rechners werden sowohl CISC-als auch RISC-Architekturen, Kommu
nikationskanale, Speicherorganisation und Peripheriegerate behandelt.
1m wesentlichen wurde Band 1 von Robert Schmitz und Band 2 von Wolfram
Schiffmann verfaBt.
Wir haben uns bemiiht, zu den einzelnen Themen nur die grundlegenden
Prinzipien auszuwahlen und durch einige Beispiele zu belegen. Wir hoffen, daB
es uns gelungen ist, den Stoff klar und verstandlich darzustellen. Thotzdem
mochten wir die Leser auffordern, uns ihre Erganzungs- und Verbesserungs
vorschlage oder Anmerkungen mitzuteilen. 1m Text werden immer dann eng
lischsprachige Begriffe benutzt, wenn uns eine Ubersetzung ins Deutsche nicht
sinnvoll erschien. Wir denken, daB diese Losung fiir den Leser hilfreich ist, da
die Literatur iiber Computertechnik iiberwiegend in Englisch abgefaBt ist.
Vorwort vii
Bei der miihevollen Arbeit, das Manuskript mit dem IJ.TEX-Formatiersystem
zu set zen, zu korrigieren und Bilder zu zeichnen, wurden wir von Frau Sabine
Doring, Frau Christa Paul, Herrn Jiirgen Weiland und Herrn Dirk Beerbohm
unterstiitzt. Unsere Kollegen Dr. Alois Schiitte und Prof. Dr. Dieter Zobel
ermunterten uns zum Schreiben dieses Textes und gaben uns wert volle Hinweise
und Anregungen. Prof. Dr. Herbert Druxes, Leiter des Instituts fUr Physik,
fOrderte unser Vorhaben.
Fiir ihre Mitarbeit und Unterstiitzung mochten wir allen herzlich danken.
Auch unseren Familien sei an dieser Stelle fUr Ihre Geduld und Ihr Verstand
nis fUr unsere Arbeit gedankt.
Koblenz, im November 1991
Wolfram Schiffmann Robert Schmitz
Vorwort zur zweiten und dritten Auflage
Die freundliche Aufnahme der ersten Auflage gibt uns die Moglichkeit, das Buch
in iiberarbeiteter Form herauszugeben. Das Konzept wurde im wesentlichen
beibehalten. In dem neuen Kapitel 7 wurde der Entwurf und die Herstellung
von integrierten Schaltungen in Grundziigen dargestellt. Wegen der wachsenden
Bedeutung von PLDs und ASICs wurde eine Beschreibung dieser Bausteine mit
aufgenommen. Der Abschnitt Integrationstechnik aus der erst en Auftage wurde
in das neue Kapitel eingearbeitet.
Fiir die zahlreichen Hinweise aus dem Leserkreis danken wir herzlich. Wir
haben uns bemiiht, diese Anregungen in die neue Auftage aufzunehmen.
Koblenz, im Dezember 1995
Wolfram Schiffmann Robert Schmitz
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen der Elektrotechnik 1
1.1 Historischer Uberblick .. ... . 1
1.2 Elektrische Ladungen und elektrisches Feld 3
1.2.1 Elektrische Ladungen 3
1.2.2 Das Coulombsche Gesetz 5
1.2.3 Das elektrische Feld .. 6
1.2.4 Das elektrostatische Potential und die Spannung 7
1.2.5 Elektl'ische Ladungen auf Leitern 9
1.2.6 Elektrische Fluf3dichte 10
1.2.7 Del' Kondensator 12
1.3 Gleichstromkreis .. .. 13
1.3.1 StromsUirke . .. 14
1.3.2 Das Ohmsche Gesetz . 14
1.3.3 Arbeit und Leistung des elektrischen Stromes 17
1.3.4 Kirchhoffsche Siitze . .. ..... .. 18
1.3.5 Quellenspannung und Klemmenspannung 27
1.4 Elektromagnetisches Feld . . 29
1.4.1 Magnetisches Feld elektrischer Strome 29
1.4.2 Das Durchflutungsgesetz .. . . 31
1.4.3 Kraftwirkung magnetischer Felder auf
stromdurchflossene Leiter 32
1.4.4 Lorentzkraft und Halleffekt . . 35
1.4.5 Materie im Magnetfeld.. .. 37
1.4.6 Elektromagnetische Induktion . 43
1.5 Wechselstromkreis .... .. .. 48
1.5.1 Wechselspannung und Wechselstrom 48
1.5.2 Kennwerte von Wechselgrof3en 49
1.6 Schaltvorgange . . . . . . .. .... 51
1.6.1 Schaltverhalten an einem Widerstand 52
x Inhaltsverzeichnis
1.6.2 Schaltverhalten an einer Kapazitat .. 52
1.6.3 Schaltverhalten an einer Induktivitat . 55
1.7 Dateniibertragung ... . . . . . 57
1.7.1 Physikalische Darstellung 57
1.7.2 Ubertragungsmedien. 59
2 Halbleiterbauelemente 72
2.1 Halbleiterphysik ...... . 73
2.1.1 Aufbau der Materie . 73
2.1.2 Energiebandermodell. 74
2.1.3 Kristallstruktur von Germanium und Silizium . 76
2.1.4 Eigenleitrahigkeit............... 77
2.1.5 StOrstellenleiWihigkeit (Dotierte Halbleiter) 78
2.1.6 pn-Ubergang ............ . 81
2.2 Halbleiterdioden ...... . . . . . . . . . 83
2.2.1 pn-Ubergang mit auBerer Spannung 83
2.2.2 Kennlinie des pn-Ubergangs .... 85
2.2.3 Halbleiterdioden mit besonderen Eigenschaften 86
2.3 Bipolar-'Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.3.1 Der'Transistoreffekt ............. . 94
2.3.2 Spannungen und Strome im Betriebszustand 95
2.3.3 Kennlinienfelder und Arbeitspunkt . . . 96
2.4 U nipolare 'Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.4.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistor (FET). . . 99
2.4.2 Isolierschicht-Feldeffekt-'Transistor (MOS-FET) 101
2.5 Gallium-Arsenid-Halbleiterbauelemente . . . . . . . . . 104
3 Elektronische Verkniipfungsglieder 110
3.1 Elektronische Schalter ...... . 110
3.1.1 Der ideale Schalter .... . 111
3.1.2 Modell eines realen Schalters 112
3.1.3 Bipolartransistor als Schalter 112
3.1.4 Unipolartransistor als Schalter 114
3.1.5 KenngroBen .......... . 115
3.2 Verkniipfungsglieder mit bipolaren 'Transistoren . 120
3.2.1 TIL-Schaltkreise. 120
3.2.2 ECL-Schaltkreise.............. 128
3.2.3 FL-Schaltkreise ............. . 130
3.3 Verkniipfungsglieder mit unipolaren 'Transistoren 131
3.3.1 PMOS Schaltkreise . 131
3.3.2 NMOS Schaltkreise . 133
3.3.3 CMOS Schaltkreise . 133