Wie werden elektrische Signale invertiert?
In der Digitaltechnik arbeitet man ja mit "Einsen und Nullen", die auf technischer Ebene entweder durch eine anliegende Spannung oder durch die Abwesenheit einer Spannung zustande kommen.
Nun gibt es ja durchaus Schaltungen, bei denen man ein eingehendes Signal inverieren möchte, also beispielsweise statt der eintreffenden 1 eine 0 ausgibt.
Wie kann man sich einen solchen Inverter auf technischer Ebene vorstellen, bzw. wie baut man einen Inverter (modellhaft)?
5 Antworten
Im einfachsten Fall ist ein Inverter eine Art Schalter, der den Stromfluss am Ausgang unterbricht, wenn am Eingang Spannung anliegt. Das könnte ja z.B. ein Relais mit einem öffnenden Kontakt (normally closed) sein.
In TTL ist es ein Transistor, der leitend wird (und auf Ground zieht), wenn am Eingang Spannung anliegt...
In CMOS, der "modernen Technik", ist es so, dass sowohl "Spannung" als auch "keine Spannung" aktiv ausgegeben wird - also wie eine Art Umschalter, der entweder den Ausgang auf GND schaltet, oder auf VDD. Verbaut sind dabei zwei Transistoren, ein PMOS für den VDD zu Ausgang-Pfad und ein NMOS für den GND zu Ausgang-Pfad. Die Transistoren haben die Eigenschaft, dass sie jeweils bei dem anderen Steuersignal leitend werden, ein NMOS durch positive Spannung am Gate, ein PMOS durch "negative Spannung" bzgl. VDD, also bei Eingang 0V. Somit hast du schon einen Inverter.
Zuerst muss man festlegen, was 1 oder 0 im konkreten Fall bedeutet, aktiv oder inaktiv, high oder low.
Dann kann man sich um die technische Realisierung kümmern.
- In der abstrakten Digitaltechnik geht es nur um logische Pegel. Da genügt eine Wahrheitstabelle, eine Funktionsgleichung, ein Sympbol (das NOT-Gate), um die Invertierung zu machen:
- Wenn es um Spannungspegel geht, baut man das Not-Gate mit einem Transistor:
oder noch einfacher mit einem Schalter:
- Wenn es um Strom - Nicht-Strom geht, kann man z.B. ein Relais nehmen. Lampe hat Strom, wenn Schalter offen ist ("keinen Strom hat"), und umgekehrt:
Zunächst mal werden beide Zustände mit unterchiedlichen Spannungspegel dargestellt, das bedeutet nicht zwingend eine Spannung von 0V. Ferner besitzt jedes Gatter auch eine Spannungsversorgung.
Nutze ich nun diese Spannung für den Ausgang und nutze einen spannungslos geschlossenen Transistor (als Teil eines Spannungsteilers), so kann der Eingang als Steuersignal für den Transistor herhalten. Bei niedriger Spannung ist der Transistor geschlossen (hoher Widerstand, großer Spannungsabfall), steigt die Spannung öffnet er sich und am Ausgang liegt keine (niedrige) Spannung an, da der Transistor nun kaum noch einen Widerstand besitzt und das Potential Nähe GND liegt.
In der Praxis kommt es dann auf die Logikfamilie an, welches 'Beiwerk' noch so gebraucht wird.
Nachtrag, stelle Dir folgendes vor:
+ U
|
/---(G)T1
| +----- U(Out)
In ------+ |
| |
\---(G)T2
|
GND
Es sei T1 offen, T2 geschlossen bei niedriger Spannung, Uout liegt also bei + U. Wird In auf High gezogen, schließt sich T1, T2 öffnet.Uout liegt jetzt bei GND. (Es gibt natürlich Abweichungen, da Widerstände nicht 0 und unendlich sind, aber die konzeptionelle Idee sollte hoffentlich klar werden). Du kannst ja mal nach Gatterimplementierungen für DTL, TTL, PMOS, CMOS googlen, da gibt es ganz brauchbare Seiten mit Erklärungen.
Da ist ein ganz gutes Bild:
Erklärung in kurz: Spannung an der Basis des Transistors (= logische 1) macht den Transistor leitfähig, deshalb sinkt die Spannung zwischen Kollektor und Emitter und die dazu parallel geschaltete LED geht aus (=logische 0).
