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Text 4. Digitalelektronik

Die Digitalelektronik oder Digitaltechnik beschä ftigt sich mit der Verarbeitung von diskreten Signalen (ausgedrü ckt als Zahlen oder logische Werte). Die Diskretisierung betrifft dabei immer den Wertebereich und oft auch zusä tzlich das zeitliche Verhalten. In der Praxis beschrä nkt man sich auf zweiwertige Systeme, d. h.: Spannungen oder Strö me sollen – abgesehen von Ü bergangsvorgä ngen – nur zwei Werte annehmen (an/aus, 1 oder 0, auch high/low, kurz H/L). Die Ä nderung der Werte kann bei zeitdiskreten Systemen nur zu bestimmten, meist ä quidistanten Zeitpunkten stattfinden, den ein Takt vorgibt. Bei der Digitalelektronik werden analoge Signale entweder vor der Verarbeitung mit Hilfe von Analog-Digital-Umsetzern digitalisiert (in Digitalsignale umgesetzt) oder existieren bereits von vornherein als diskrete Werte. Transistoren werden in der Digitaltechnik in der Regel als Schaltverstä rker und nicht als analoge Verstä rker eingesetzt.

Der Vorteil der Digitalelektronik liegt in der Tatsache, dass im Anschluss an die Digitalisierung die bei der Analogelektronik erwä hnten stö renden Effekte keine Rolle mehr spielen, jedoch auf Kosten des Bauteilaufwandes. Ist z. B. eine analoge Schaltung mit einem maximalen Fehler von 0, 1 % behaftet, so kann dieser Fehler ab ca. 10 Bit Datenbreite von digitalen Schaltungen unterboten werden. Ein analoger Multiplizierer benö tigt etwa 20 Transistoren, ein digitaler Multiplizierer mit derselben Genauigkeit mehr als die 20-fache Anzahl. Der Aufwand wä chst durch die Digitalisierung also zunä chst an, was aber durch die immer weiter vorangetriebene Miniaturisierung mehr als kompensiert wird. Heute lassen sich auf einem integrierten Schaltkreis eine sehr groß e Menge von Transistoren realisieren (die Anzahl geht typisch in die 10 Millionen). Der Vorteil ist nun, dass z. B. die Spannungspegel in erheblichem Maß e variieren kö nnen, ohne die korrekte Interpretation als 1 oder 0 zu behindern. Damit ist es mö glich, dass die Bauelemente der integrierten Schaltungen sehr ungenau sein dü rfen, was wiederum die weitere Miniaturisierung ermö glicht. Die Eigenschaften der Schaltung werden also weitgehend von den physikalischen Eigenschaften der Bauelemente entkoppelt.

Die vereinfachte Beschreibung digitaler Schaltungen mit den zwei Zustä nden H und L reicht vor allem bei immer hö heren Geschwindigkeiten und Frequenzen nicht immer aus, um sie zu charakterisieren oder zu entwerfen. Im Grenzfall befindet sich die Schaltung den ü berwiegenden Teil der Zeit im Ü bergang zwischen den beiden logisch definierten Zustä nden. Daher mü ssen in solchen Fä llen oft zunehmend analoge und hochfrequenztechnische Aspekte berü cksichtigt werden. Auch bei langsamen Schaltungen kann es Probleme geben, die nur durch analoge Betrachtungsweisen zu verstehen sind; als Beispiel sei das Problem der Metastabilitä t von Flip-Flops genannt.