Modul: Elektronische Schaltungen I

In der Digitaltechnik werden Informationen in diskreten Stufen verarbeitet bzw. genutzt. Von besonderer Bedeutung ist die binäre Digitaltechnik. Sie kennt nur die Zustände 1 und 0, die auf der elektrischen Ebene als Spannung und keine Spannung gesehen werden. Die Aufgabe einer digitalen Schaltung ist es, eine Folge von Eingangssignalen zu bearbeiten und das Ergebnis auszugeben. So kann zum Beispiel verlangt sein, dass eine Schaltung mit einem Eingang genau dann den Zustand 1 ausgibt, wenn an dem Eingang der Zustand 0 anliegt und umgekehrt.

Der Entwurf von digitalen Schaltungen beruhte früher auf Versuchsaufbauten und Messungen. Mit der zunehmenden Komplexität der Schaltungen rückte stattdessen seit dem Jahr 1973 die Simulation als neues kosten- und zeitsparendes Mittel immer mehr in den Vordergrund.

Bei der Simulation wird die gewünschte Schaltung zunächst auf der sogenannten reinen Logikebene beschreiben. Auf dieser Ebene wird überlegt, wie die Eingangssignale mittels logischer Operatoren zu verknüpfen sind, um schließlich die gewünschten Ausgangssignale zu erhalten. Die logischen Verknüpfungen werden zu sogenannten logischen Gattern (man stelle sich eine Blackbox mit verschiedenen Ein- und Ausgängen vor) zusammengefasst. Diese Gatter werden wiederum mit einander verknüpft. So entsteht ein Modell der gewünschten Schaltung auf der Logikebene.

Nach dem die Schaltung auf der logischen Ebene realisiert wurde, werden die Gatter bzw. ihre Verknüpfungen auf der sogenannten Schaltkreisebene umgesetzt. Hier wird die Schaltung mit Hilfe elektronischer Bauteile (Widerstände, Transistoren etc.) aufgebaut, so dass ihr Verhalten dem der Logikebene entspricht. Dabei wird nicht gelötet und gebaut, sondern es wird versucht die Bauteile und ihre Verknüpfungen durch hinreichend genaue mathematische Modelle zu beschreiben und anschließend, häufig mit massiven Recheneinsatz, zu analysieren und zu optimieren.

In diesem Modul werden wir uns mit der (mathematischen) Simulation von Schaltungen beschäftigen, die auf der Logikebene durch sogenannte NOT- und NAND-Gatter beschrieben werden. Ihre Realisierung auf der Schaltkreisebene erfolgt durch sogenannte Zweipole (z.B. lineare Widerstände) und Vierpole (z.B. Transistoren).