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Logikbausteine - selbst gebaut aus Transistoren!
Wir wollen in den folgenden Kapiteln langsam lernen, wie grundlegende Bestandteile eines Computers funktionieren. Dabei brauchen wir immer wieder Schaltungen, die grundlegenden logischen Verknüpfungen - NICHT, UND, ODER, XOR - implementieren. Es gibt sie allesamt als kleine Mikrochips zu kaufen, deren Ein- und Ausgänge sich so verhalten, dass sie TTL-Pegel erwarten bzw. liefern, das heißt:
- An den Eingängen bedeutet eine Spannung < 0,4 V eine 0 und eine Spannung > 2,4 V eine 1.
- Die Ausgänge liefern möglichst 0 V im Falle einer 0 und 5 V im Falle einer 1.
Zudem wünscht man sich, dass die Eingänge möglichst hochohmig sind (d.h. dass möglichst wenig Strom in sie reinfließt oder aus ihnen raus) und dass die Ausgänge eine möglichst hohe Stromstärke liefern können (damit das Ausgangssignal wiederum als Eingangssignal möglichst vieler weiterer Logikbausteine verwendet werden kann).
Bevor wir Mikrochips für Logikverknüpfungen benutzen, wollen wir an drei Beispielen lernen, wie sie intern aufgebaut sind.
Gleich zu Beginn ein sehr gutes Video von Ben Eater zum Thema:
NICHT
Am NICHT-Gatter sehen wir grundlegende Eigenschaften aller nachfolgenden Schaltkreise:
- Der eigentliche Schaltkreis ist nur die vom gestrichelten Rechteck umgebene Schaltung.
- Die Eingänge sind mit “In” beschriftet, die Ausgänge mit “Out”.
- Zusätzlich zu den Ein- und Ausgängen benötigt das Gatter auch noch eine Versorgung mit 0 V und +5 V. In den Schaltungsskizzen führen wir diese Spannungen einfach oben und unten ein, ohne sie zusätzlich als Eingänge zu kennzeichnen. Die Logikchips haben dafür extra Pins.
- In Wirklichkeit sind die Logikchips intern noch etwas komplizierter aufgebaut und für möglichst kurze Schaltzeiten und möglichst niedrigen Stromverbrauch optimiert.
- Wollen wir an einen Ausgang eine LED anschließen, so müssen wir uns selbst um den Vorwiderstand kümmern. Wir dürfen nicht davon ausgehen, dass er im Logikchip enthalten ist!
- Wollen wir einen Eingang mit einem Taster beschalten, so reicht es nicht, den Taster nur an den Eingang und 5 V anzuschließen, denn im Falle des offenen Tasters hat der Eingang einen undefinierten Zustand. Wir benötigen daher zusätzlich einen Pulldown-Widerstand, der den Eingang im Falle des offenen Tasters sicher mit Ground verbindet. Dieser Widerstand soll klein genug sein, um den Eingang des Logikgatters sicher auf 0 V zu ziehen, gleichzeitig aber auch möglichst groß, damit im Falle des geschlossenen Tasters nicht zu viel Energie verloren geht (thermische Verlustleistung am Widerstand: $P = U \cdot I = \frac{U^2}{R}$
(Möglich ist übrigens auch die umgekehrte Schaltung: Taster mit Ground verbinden und zusätzlich Pullup-Widerstand nach +5 V)
Funktionsweise der Schaltung
- Liegt am Eingang 5 V an, so fließt ein Strom über die B-E-Strecke und damit ein hoher Strom durch die C-E-Strecke, d.h. deren Widerstand ist sehr gering und der Ausgang liegt praktisch an Ground.
- Liegt am Eingang 0 V an, so sperrt der Transistor, d.h. der Widerstand der C-E-Strecke ist sehr hoch und der Ausgang hängt über den $1\,\mathrm{k\Omega}$-Widerstand an 5 V.
UND
Funktionsweise
- Nur wenn bei beiden Transistoren an den Basen 5 V anliegen und somit beide durchschalten, liegen am Ausgang 5 V an.
- Liegen bei mindestens einem Transistor 0 V an der Basis an, so sperrt dieser, d.h. seine C-E-Strecke hat einen sehr großen Widerstand. Damit liegt der Ausgang über den 1k-Widerstand an 0 V.
ODER
Funktionsweise
- Sobald an einem der Eingänge 5 V anliegen, schaltet der dahinterliegende Transistor durch und der Ausgang liegt an 5 V.
- Nur wenn an beiden Eingängen 0 V anliegen, sperren beide Transistoren und der Ausgang liegt über den 1k-Widerstand an 0 V.