Reale Gatterschaltungen


In diesem Kapitel haben Sie logische Schaltungen kennengelernt, anhand derer Sie nachvollziehen konnten, wie binäre Signale miteinander kombiniert werden können. Bevor ein tatsächlicher Computer gebaut werden kann, müssen die logischen Gatter, die wir in den logischen Schaltungen verwendet haben, mit realen Bauelementen, echter Spannung und real fließenden Elektronen gebaut werden.

Dafür gibt es viele Möglichkeiten. In diesem Kapitel wird ein möglicher Aufbau realer logische Gatter mit Ihnen bekannten Bauteilen vorgestellt. Die Bauteile der realen Schaltungen sind

  • Spannungsquellen, Widerstände und Schalter
  • LEDs, Dioden und Transistoren (Halbleiterbauelemente)

Reales NOT-Gatter

Das logische NOT-Gatter hat folgende Schalttabelle:

Zustand Z1 \(\neg\) Z1
0 1
1 0

Das NOT-Gatter invertiert das Eingangs-Bit:

Die Idee der folgenden realen Schaltung ist:

  • der Schalter ist geschlossen (Bit 1) und der Strom fließt nicht durch die LED (Bit 0)
  • der Schalter ist offen (Bit 0) und der Strom fließt durch die LED (Bit 1)

Realisiert werden kann dieses Verhalten durch einen Transistor. Sobald der Schalter Strom an die Basis des Transistors leitet, kann ein hoher Strom zwischen Kollektor und Emitter fließen. Dadurch ist die Spannung an der LED so gering, dass dort kein Strom mehr fließt. Die Erklärung für den Transistor-Effekt finden Sie z.B. auf Leifi-Physik.

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Reales OR-Gatter

Das logische OR-Gatter hat folgende Schalttabelle:

Z1 Z2 Z1 \(\lor\) Z2
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Das OR-Gatter legt 1 auf das Ausgangs-Bit, wenn mindestens ein Eingangs-Bit 1 ist:

Die Idee der folgenden realen Schaltung ist:

  • wenn nur einer der Schalter geschlossen ist (Bit 1), fließt Strom durch die LED (Bit 1)
  • nur wenn gleichzeitig beide Schalter offen sind (Bit 0), fließt kein Strom durch die LED (Bit 0)

Realisiert werden kann dieses Verhalten ganz einfach durch zwei Schalter. Die Verbindung der beiden Schalter in geschlossenem Zustand wird durch die Dioden verhindert. In integrierten Schaltkreisen können diese Schalter durch Transistoren ersetzt werden. Erklärung dazu auf Leifi-Phyik.

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Reales AND-Gatter

Das logische AND-Gatter hat folgende Schalttabelle:

Z1 Z2 Z1 \(\land\) Z2
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Das AND-Gatter legt 1 auf das Ausgangs-Bit, wenn gleichzeitig beide Eingangs-Bit 1 sind:

Die Idee der folgenden realen Schaltung ist:

  • wenn einer der beiden Schalter geschlossen ist (Bit 0), fließt kein Strom durch die LED (Bit 0)
  • nur wenn gleichzeitig beide Schalter offen sind (Bit 1), fließt Strom durch die LED (Bit 1)

Realisiert werden kann dieses Verhalten wieder durch zwei Schalter. Die Verbindung der beiden Schalter in geschlossenem Zustand wird durch Dioden verhindert. In integrierten Schaltkreisen können diese Schalter durch Transistoren ersetzt werden. Erklärung dazu auf Leifi-Phyik.

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Integrierte Schaltkreise

Für moderne Computer werden diese Schaltungen in mikroskopischer Größe entwickelt. Folgendes Skript von der Universität Stuttgart liefert eine Einführung in die theoretischen Grundlagen der Entwicklung von integrierten logischen Schaltkreisen:

Elektrotechnische Grundlagen (Prof. Baitinger)