Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis...........................................................................................................................i

Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................................v

1 Einführung in die digitale Schaltungstechnik ....................................................................1 1.1 Begriffsdefinitionen ........................................................................................................1

1.2 Gliederung mit Beispiel Entzerrer...................................................................................3

2 Bauelemente der Digitaltechnik und ihre Eigenschaften ..................................................7 2.1 Modellierung von Bauelementen ....................................................................................8

2.2 Diode ...............................................................................................................................9 2.2.1 Aufbau und Bänderschema .....................................................................................9 2.2.2 Statisches Verhalten ..............................................................................................10

2.2.2.1 Diodengleichung ...............................................................................................10 2.2.2.2 Kennlinie ...........................................................................................................12 2.2.2.3 Kleinsignalverhalten..........................................................................................14 2.2.2.4 Reihenschaltung Diode - Widerstand................................................................15

2.2.3 Dynamisches Verhalten.........................................................................................18 2.2.3.1 Sperrschichtkapazität ........................................................................................18 2.2.3.2 Diffusionskapazität............................................................................................19 2.2.3.3 Dynamisches Großsignalersatzschaltbild..........................................................19 2.2.3.4 Dynamisches Kleinsignalersatzschaltbild .........................................................20 2.2.3.5 Schaltverhalten ..................................................................................................21

2.2.4 SPICE-Modellparameter .......................................................................................24

2.3 MOSFET .......................................................................................................................25 2.3.1 MOSFET-Typen und Schaltzeichen .....................................................................26 2.3.2 Aufbau...................................................................................................................27 2.3.3 Zustände der MOS-Struktur ..................................................................................30

2.3.3.1 Thermodynamisches Gleichgewicht: UGB = 0 V .............................................32 2.3.3.2 Flachbandfall: UGB = UFB.................................................................................33 2.3.3.3 Akkumulation von Löchern: UGB < UFB ..........................................................34 2.3.3.4 Verarmung: UGB > UFB.....................................................................................35 2.3.3.5 Inversion: UGB >> UFB .....................................................................................36

2.3.4 Schwellenspannung für starke Inversion...............................................................39 2.3.4.1 Ladung in der Raumladungszone......................................................................40 2.3.4.2 Ladung in der Inversionsschicht .......................................................................41 2.3.4.3 Einfluss der Bulk-Source-Spannung USB ..........................................................44

2.3.5 Kennlinien und Stromgleichungen des MOSFET.................................................46 2.3.5.1 Ableitung der Stromgleichungen ......................................................................47 2.3.5.2 Kennlinien .........................................................................................................52 2.3.5.3 Kanallängenmodulation ....................................................................................54 2.3.5.4 Zusammenfassung Stromgleichungen MOSFET.............................................56 2.3.5.5 Effekte zweiter Ordnung ...................................................................................57

2.3.6 Dynamisches Großsignal-Ersatzschaltbild des MOSFET.....................................59 2.3.7 Kleinsignalersatzschaltbild....................................................................................63

2.3.8 Regeln für die Strukturverkleinerung ................................................................... 65 2.3.9 Beispiel: NMOS-Inverter mit resistiver Last ........................................................ 67

3 Digitale Grundschaltungen ................................................................................................ 71 3.1 Einführung und Übersicht............................................................................................. 71

3.1.1 Störungen und Störabstände.................................................................................. 73 3.1.2 Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-Logik (CMOS)............................ 76

3.2 CMOS Inverteraufbau................................................................................................... 77 3.2.1 Gleichstromverhalten ............................................................................................ 77 3.2.2 Berechnung des statischen Störabstandes von CMOS-Invertern.......................... 83 3.2.3 Dynamischer Störabstand ..................................................................................... 86

3.3 Schaltverhalten des CMOS-Inverters............................................................................ 88 3.3.1 Kleinsignalverhalten des CMOS-Inverters ........................................................... 88 3.3.2 Großsignalverhalten des CMOS-Inverters............................................................ 90

3.3.2.1 Herleitung der Verzögerungszeit ...................................................................... 92 3.3.2.2 Berechnung der Lastkapazität ........................................................................... 96

3.4 Treiberschaltungen...................................................................................................... 101 3.4.1 Tristate-Treiber ................................................................................................... 104

3.5 Verlustleistung und Verlustleistungs-Verzögerungs-Produkt .................................... 105

3.6 Transfertransistor-/Transfergatter-Logik .................................................................... 110

3.7 Dynamische Grundschaltungen .................................................................................. 112 3.7.1 Bootstrap-Schaltung............................................................................................ 113 3.7.2 Verriegelungsschaltung (Clocked CMOS, C2MOS)........................................... 115

3.8 Differentielle Grundschaltung..................................................................................... 116

4 Integrierte CMOS-Logikschaltungen ............................................................................. 122 4.1 NOR-Gatter................................................................................................................. 122

4.1.1 Optimierung durch Zusammenlegung von Netzknoten ...................................... 128

4.2 NAND-Gatter.............................................................................................................. 132

4.3 Beliebige Logikkombinationen................................................................................... 133 4.3.1 Beispiele zu beliebigen Logikkombinationen..................................................... 134

4.4 Transfertransistor- und Transfergatter-Logik ............................................................. 136

4.5 Dynamische CMOS-Logik (Domino-Logik).............................................................. 137

4.6 Pseudo-NMOS-Logik ................................................................................................. 139

5 Kipp- und Speicherschaltungen....................................................................................... 140 5.1 Bistabile Kippschaltung .............................................................................................. 141

5.1.1 Kippvorgang bei einer CMOS-Flip-Flop-Schaltung........................................... 142

5.2 Grundschaltungen von Flip-Flops............................................................................... 148 5.2.1 RS-Flip-Flop ....................................................................................................... 148 5.2.2 Taktgesteuertes Flip-Flop ................................................................................... 149 5.2.3 Getaktetes D-Flip-Flop ....................................................................................... 150 5.2.4 J-K-Flip-Flop ...................................................................................................... 151 5.2.5 Dynamische Flip-Flops....................................................................................... 152

5.3 Master-Slave-Prinzip...................................................................................................153

5.4 SRAM-Zelle ................................................................................................................154 5.4.1 Dekodierschaltungen (Decoder)..........................................................................158

5.5 DRAM-Zelle ...............................................................................................................163

5.6 Lesespeicher (ROM) ...................................................................................................167

5.7 Monostabile Kippschaltungen.....................................................................................172

5.8 Astabile Kippstufe.......................................................................................................174

5.9 Übersicht der Kippschaltungsarten .............................................................................177

6 Arithmetische Module.......................................................................................................178 6.1 Addierer.......................................................................................................................181

6.1.1 Der Volladdierer..................................................................................................181 6.1.2 Ripple-Carry-Addierer ........................................................................................184 6.1.3 Carry-Skip-Addierer............................................................................................185 6.1.4 Carry-Select-Addierer .........................................................................................186 6.1.5 Carry-Lookahead-Addierer .................................................................................187 6.1.6 Beispiele für Schaltungstechniken in CMOS......................................................190

6.2 Multiplizierer...............................................................................................................200

7 Literaturliste ......................................................................................................................208

Seminaraufgaben.......................................................................................................................209

Aufgabe 1 Widerstands-Inverter mit n-Kanal MOSFET................................................210

Aufgabe 2 Dynamisches Verhalten des Widerstand-Inverters .......................................214

Aufgabe 3 Kippschaltung mit Widerstandslastinvertern ................................................216

Aufgabe 4 Statischer CMOS-Inverter – Statisches Verhalten ........................................219

Aufgabe 5 CMOS-Kippschaltung ......................................................................................223

Aufgabe 6 Taktverteilung mit CMOS-Invertern.............................................................225

Aufgabe 7 Multiplexer für die serielle Datenübertragung ..............................................229

Aufgabe 8 Schmitt-Triggerschaltung.................................................................................231

Aufgabe 9 Statische CMOS Logikschaltungen .................................................................234

Aufgabe 10 Dynamische CMOS-Logik................................................................................236

Aufgabe 11 Astabiler CMOS-Multivibrator .......................................................................238

Aufgabe 12 Dynamische Speicherzelle ................................................................................ 240