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9 Praktische Realisierung logischer Schaltungen

9.1 Realisierung binärer Zustände

Zur schaltungstechnischen Erzeugung binärer Zustände sind Systeme gefordert, die in einfacher Weise zwei unterscheidbare Werte erzeugen können. Beispiele dafür sind Einrichtungen, durch die z.B. die Richtung eines Stromes oder die Polarität einer Spannung gesteuert bzw. ein Strom oder eine Spannung ein- und ausgeschaltet werden kann.
Es ist also eine einfache "Schaltfunktion" notwendig, zu deren Realisierung unterschiedliche mechanische, elektromechanische oder elektronische Effekte herangezogen werden können. Als fundamentale Bauelemente eignen sich für diese Anwendung z.B.:

9.1.1 Schalterrealisierung binärer Argumente

Abb. 9.1: Schaltergesteuerter Stromkreis und Arbeitsgerade.








9.1.2 Diodenrealisierung binärer Argumente

Abb. 9.2: Kennlinie der realen (links) und idealen (Mitte) Diode im Vergleich mit einem idealen Schalter (rechts).

b
a
c
b
a
c
0V
0V
0V
0
0
0
0V
5V
0V
0
1
0
5V
0V
0V
1
0
0
5V
5V
5V
1
1
1

Abb. 9.3: Logische Funktion "UND"; links: Dioden-Widerstands-Schaltung, rechts: Spannungs- und Wahrheitstafel.

b
a
c
b
a
c
0V
0V
0V
0
0
0
0V
5V
5V
0
1
1
5V
0V
5V
1
0
1
5V
5V
5V
1
1
1

Abb. 9.4: Logische Funktion "ODER"; links: Dioden-Widerstands-Schaltung, rechts: Spannungs- und Wahrheitstafel.

9.1.3 Transistorschaltungen

a
b
a
b
0V
5V
0
1
5V
0V
1
0

Abb. 9.5: Transistor-Grundschaltung; links: Inverter-Schaltung, rechts: Spannungs- und Wahrheitstafel (UB = 5V).



Abb. 9.6: Transistor-Kennlinien (links: IB = f(UBE), rechts: IC = f(UCE)



Das Ausgangskennlinienfeld eines bipolaren Transistors ist in Abb. 9.6 (rechts) wiedergeben. Die Abhängigkeit des Kollektorstroms IC wird als Funktion der Kollektor-Emitter-Spannung UCE wiedergegeben. Der Basisstrom IB tritt als Parameter auf.
Die Eingangskennlinie (Abb. 9.6, links) gibt außerdem den funktionalen Zusammenhang zwischen Basis-Emitter-Spannung UBE und Basisstrom IB wieder (Dioden-Kennlinie).

An Hand der zusätzlich in das Ausgangskennlinienfeld eingezeichneten Arbeitsgeraden kann die Schalterwirkung des Transistors aufgezeigt werden:

Im Gegensatz zu einem idealen Schalter sind beim Transistor auch im "offenen" und "geschlossenen" Zustand noch kleine Restströme bzw. Restspannungsabfälle vorhanden (gestrichelte Linien).


9.1.4 Positive und negative Logik

In den bisher durchgeführten Betrachtungen wurde angenommen, daß der jeweils kleinere Wert einer physikalischen Größe automatisch dem logischen Wert "0" entspricht, während der höhere Wert die "1" repräsentiert.

Die so (willkürlich) definierte Logik wird als positive Logik bezeichnet. Natürlich kann diese Definition auch umgekehrt werden, indem der größere Wert der "0" und der kleinere Wert der "1" zugeordnet wird. In diesem Fall spricht man von negativer Logik.

physikalischer Wert
Logischer Wert
abs.
rel.
positive Logik
negative Logik
- [0V]
low L
0
1
+ [5V]
high H
1
0

Abb. 9.7: Pegel/Logik-Zuordnung.

Beide Betrachtungsweisen sind vollkommen gleichberechtigt, da das physikalische Verhalten der digitalen Bausteine sich nicht ändert. Auf Grund der invertierten logischen Zuordnung ändert sich aber die algebraische Beschreibung (siehe Dualitätsprinzip).


Hinweis:

An dieser Stelle wird grundsätzlich positive logik eingesetzt, wenn nicht ausdrücklich negative Logik angewendet werden soll.
"0" und low sowie "1" und high haben dann die gleiche Bedeutung.

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