Grundlagen digitaler Schalttechnik

Um digitale Logikschaltungen zu realisieren, kommt als zentrales elektronisches Bauelement der Transistor zum Einsatz. In den Ausführungen in diesem Abschnitt kommen "normale" Halbleitertransistoren zum Einsatz, in heutigen Mikroprozessoren MosFETs (Feldeffekttransistoren). Das Grundprinzip ist jedoch ähnlich, weshalb wir es bei gewöhnlichen Transistoren belassen.

Der Transistor

Ein Trasnsistor kann als elektronischer Schalter verwendet werden, der bei niedrigen Spannungen ohne mechanische Bauteile arbeitet.1) Die Verstärkungsfunktion von Transistoren können wir in der Digitaltechnik in erster Näherung zunächst vernachlässigen, da wir ja nur zwei Zustände unterscheiden wollen: Ein und Aus

Ein Transistor hat drei Anschlüsse, diese werden mit Basis, Collector und Emitter bezeichnet. Je nachdem, wie die Halbleiterschichten im Inneren des Transistors dotiert sind, kommen gewöhnliche Halbleitertransistoren in zwei Varianten als pnp und npn-Transistoren. Wir betrachten im weiteren npn-Transistoren.

Wenn man zwischen Kollektor und Emitter eine Spannung anlegt, kann man mithilfe einer Spannung an der Basis steuern, ob ein Strom von C nach E fließt oder nicht. Im folgenden Bild ist der Collector oben, der Emitter unten und die Basis nach links ausgerichtet:

Wenn man die Basisspannung erhöht, fließt ein großer Strom von C nach E, ein kleiner von B nach E. Durch das Anlegen einer Spannung an der Basis des Transistors wird die C-E Strecke durchlässig geschaltet - der Schalter ist geöffnet. Wenn man die Basisspannung wegnimmt ist C-E für Ladungsträger undurchlässig - der Schalter ist geschlossen.

Selbst probieren

Du kannst die Schaltung selbst unter der Adresse http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html ausprobieren, kopiere den folgenden Code in das Eingabefeld, das du im Menüpunkt Datei→Von Text importieren öffnen kannst.

$ 1 0.000005 10.20027730826997 56 5 50 5e-11
t 1216 496 1264 496 0 1 -3.489999838642458 0.21000000010855605 100 default
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r 1216 496 1152 496 0 470
R 1264 400 1216 400 0 0 40 3.7 0 0 0.5
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Logische "Gatter" mit Transistoren