Halbleiter-Schaltungstechnik

Transkript

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2 U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Vierte, v6llig neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 804 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1978

3 Dr.-Ing. Ulrich Tietze Dr.-Ing. Christoph Schenk Mitarbeiter am Lehrstuhl fur Technische Elektronik cler Universitat Erlangen-Niirnberg ISBN ISBN (ebook) DOI / CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek. Tietze, Ulrich. Halbleiter-Schaltungstechnik/U. Tietze; Ch. Schenk. 4., vollig neubearb. u. erw. Aufl. - Berlin, Heidelberg, New York: Springer, NE: Schenk, Christoph Das Werk ist urheberrechtlich geschiltz!. Die dadurch begrtindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege nod der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, 3uch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfaltigungen fur gewerbliche Zwecke ist gemiib 54 UrhG eine Vergtitung an den Verlag zu zahlen, deren Hohe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969, 1971, 1974, 1976 and 1978 Ursprunglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Softcover reprint of the hardcover 4th edition 1978 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt 3uch ohoe besondere Kennzeiehnung nieht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeiehen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirfteo. Wir iibernebmen auch keine Gewiihr, dab die in diesem Buch enthaltenen Angaben frei von Pateotrechteo sind; durch diese VerofTentliehung wird weder stillsehweigend ooch sonstwie eine Lizenz auf etwa bestehende Patente gewahrt. 2362/

4 V orwort zur vierten Auflage Die Elektronik dringt in immer weitere Gebiete von Wissenschaft und Technik vor. Sie beschrankt sich langst nicht mehr auf Nachrichtentechnik und Datenverarbeitung allein, sondern ist tiberall dort unentbehrlich geworden, wo es etwas zu messen, zu steuern oder zu regeln gilt. Das vorliegende Buch soll helfen, die Wirkungsweise fertiger Schaltungen zu verstehen und auch selbstandig neue entwerfen zu konnen. Das Buch ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil ist als EinfUhrung in die Grundlagen der Halbleiter-Schaltungstechnik gedacht und wendet sich an Naturwissenschaftler und Studierende der Hoch- und Fachschulen. Er enthalt den Stoff einer zweisemestrigen Grundlagen Vorlesung in Technischer Elektronik. Dabei gehen wir von den Kennlinien der Bauelemente aus und verzichten bewubt auf die Erklarung der physikalischen Vorgange im Halbleiter. Hierzu verweisen wir auf die einschlagige Literatur. Bei der Schaltungsanalyse vernachlassigen wir von vornherein untergeordnete Effekte. Dadurch wollen wir dem Leser ein qualitatives Verstandnis der wesentlichen Zusammenhange ermoglichen. Dieses Verstandnis ist die Grundvoraussetzung fur eine kreative Entwicklungsarbeit und damit viel wichtiger als eine besonders genaue Schaltungsberechnung, die angesichts der betrachtlichen Fertigungstoleranzen ohnehin kaum sinnvoll ist. Der zweite Teil des Buches ist anwendung~orientiert gegliedert. Er soll den in der Praxis stehenden Fachleuten sowie den Studierenden hoherer Semester eine ausfuhrliche und kritische Ubersicht tiber die viewiltigen Schaltungsmoglichkeiten bieten. Dabei steht der Einsatz integrierter Schaltungen im Vordergrund. Bei der Digitaltechnik mub man dem Umstand Rechnung tragen, dab fur viele Anwendungen hochintegrierte Spezialbausteine erhaltlich sind. Daraus ergibt sich eine neue Optimierungs-Strategie: Es geht nicht mehr darum, die Zahl der logischen Verkntipfungen zu minimisieren, sondern die am besten geeigneten Spezialbausteine zu kombinieren. Wenn nicht besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten verlangt werden, ergibt sich die einfachste und tibersichtlichste Schaltung haufig durch die Verwendung eines Mikroprozessors. Dadurch verlagert sich die Schaltungsentwicklung mehr und mehr auf die Programmierungsebene. Der grobe Vorteil dieser Technik besteht darin, dab ein

5 VI Vorwort und dieselbe Schaltungsanordnung auf einfachste Weise der jeweiligen Aufgabenstellung angepabt werden kann. Urn den Ubergang von der konventionellen Digitalschaltungstechnik zur Mikroprozessor-Technik zu erleichtern, haben wir die Hardware- und Software-Aspekte gleichberechtigt in einem ausfiihrlichen Kapitel behandelt. Die Kapitel des zweiten Teils sind so abgefabt, dab sie unabhlingig voneinander gelesen werden konnen. Damit wollen wir den etwas fortgeschrittenen Leser in die Lage versetzen, sich bei Bedarf schnell in die verschiedenen Spezialgebiete einzuarbeiten. Urn dabei auf moglichst kurzem Wege zur praktischen Realisierung zu gelangen, haben wir die verschiedenen Schaltungsprinzipien anhand typischer Losungsbeispiele erlliutert, deren Funktionsrahigkeit anhand eigener Laborversuche tiberprtift wurde. An dieser Stelle danken wir Herrn Prof. Dr. D. Seitzer fiir die Bereitstellung der komfortablen experimentellen Arbeitsmoglichkeiten. Aus den zahlreichen anerkennenden Zuschriften konnten wir entnehmen, dab sich die dritte Auflage sowohl beim Studium als auch in der praktischen Entwicklungsarbeit gut bewlihrt hat. So bleibt uns zu hoffen, dab die vorliegende vierte Auflage dies em Ziel noch besser gerecht wird. Dem Verlag danken wir fiir die gute Ausstattung des Buches und die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Erlangen, im Sommer 1978 U. Tietze Ch. Schenk

6 Inhalt Teil I. Grundlagen 1 Erklarung der verwendeten Gro8en 1 2 Passive RC- und LRC-Netzwerke Der TiefpaB Der HochpaB Kompensierter Spannungsteiler Passiver RC-BandpaB Wien-Robinson-Brucke Doppel-T -Filter Schwingkreis 22 3 Dioden Kennlinien und charakteristische Daten Z-Dioden Kapazitatsdioden 27 4 Der Transistor und seine Grundschaltungen Kennlinien und Kleinsignalparameter Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung, Emitterfolger Transistor als Konstantstromquelle Darlington-Schaltung Differenzverstarker Messung einiger Kleinsignalparameter Das Transistor-Rauschen Grenzdaten 73 5 F eldeffekttransistoren Klassifikation Kennlinien und Kleinsignalparameter Grenzdaten 81

7 VIII Inhaltsverzeichnis Grundschaltungen 5.5 Fet als Konstantstromquelle 5.6 Fet-Differenzverstlirker 5.7 Fet als steuerbarer Widerstand Der Operationsverstiirker 6.1 Eigenschaften eines Operationsverstlirkers 6.2 Prinzip der Gegenkopplung 6.3 Nicht-invertierender VersHirker 6.4 Invertierender VersHirker Innerer Aufbau von Operationsverstiirkern 7.1 Prinzipielle Gesichtspunkte 7.2 Einfachste AusfUhrung 7.3 Integrierte Standard-Operationsverstarker 7.4 Freq uenzgang-korrektur 7.5 Messung von Operationsverstarker-Daten Einfache Kippschaltungen 8.1 Der Transistor als Schalter 8.2 Bistabile Kippschaltung 8.3 Monostabile Kippschaltung 8.4 Astabile KippschaItung Logische Grundschaltungen Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Integrierte Flip-Flops Halbleiterspeicher Optoelektronische Bauelemente 10.1 Photometrische Grundbegriffe 10.2 Photowiderstand 10.3 Photodiode Phototransistor 10.5 Leuchtdioden 10.6 Optokoppler

8 Inhaltsverzeichnis IX Teil II. Anwendungen 11 Lineare und nichtlineare AnalogrechenschaItungen Addierer Subtrahierer Bipolares Koeffizientenglied Integratoren Differentiatoren Losung von Differentialgleichungen Funktionsnetzwerke Analog-M ultiplizierer Koordinatentransformation Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter Spannungsgesteuerte Spannungsquellen Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen Stromgesteuerte Stromquellen Der NIC (Negative Impedance Converter) Der Gyrator Der Zirkulatcrr Aktive Filter Theoretische Grundlagen von TiefpaBfiltern TiefpaB-HochpaB-Transformation Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 1. Ordnung Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 2.0rdnung.' Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern hoherer Ordnung TiefpaB-BandpaB-Transformation Realisierung von BandpaBfiltern 2. Ordnung TiefpaB-Bandi)perren-Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung AllpaB-Filter Einstellbare Universal filter Breitbandverstarker Frequenzabhangigkeit der Stromverstarkung EinfluB von Transistor- und Schaltkapazitaten 329

9 X Inhaltsverzeichnis 14.3 Kaskodeschaltung Differenzverstarker als Breitbandverstarker Symmetrische Breitbandverstarker Breitband-Spannungsfolger Breitband-Operationsverstarker Leistungsverstiirker Emitterfolger als Leistungsverstarker Komplementare Emitterfolger Elektronische Strombegrenzung Komplementare Emitterfolger mit Darlington- Schaltungen Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstarkung Erhohung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstarker Stromversorgung Eigenschaften von Netztransformatoren N etzgleichrichter Serienstabilisierung Erzeugung der Referenzspannung Schaltnetzgerate Analogschalter und Komparatoren Prinzip Elektronische Schalter Analogschalter mit Verstarkern Abtast-Halte-Glieder Komparatoren Schmitt-Trigger Signalgeneratoren L C-Oszillatoren Quarzoszillatoren R C -Sin us-oszilla toren Funktionsgeneratoren Multivibratoren Schaltnetze (Kombinatorische Logik) Kodierschaltungen Multiplexer und Demultiplexer 466

10 Inhaltsverzeichnis XI 19.3 U ngetaktetes Schieberegister Komparatoren Addierer Multiplizierer Digitale Funktionsnetzwerke Schaltwerke (Sequentielle Logik) Dualzahler BCD-Zahler im 8421-Code V orwahlzahler Schieberegister Erzeugung von pseudozufalligen Binarfolgen Aufbereitung asynchroner Signale Systematischer Entwurf von Schaltwerken ~ikroprozessoren Grundstruktur eines Mikrocomputers Arbeitsweise eines Mikroprozessors Befehls-Satz Entwicklungshilfen Mikrocomputer-Hardware Ein-/ Ausgabe-Schaltungen Minimal-Systeme Digitale Filter Abtasttheorem Digitale Ubertragungsfunktion Bilineare Transformation Realisierung von Digitalfiltem Dateniibertragung und -anzeige Verbindungsleitungen Datensicherung Statische Digitalanzeigen Multiplexanzeigen DA- und AD-Wandler Schaltungsprinzipien von DA-Wandlem AusfUhrung von DA-Wandlem mit elektronischen Schaltem DA-Wandler fur spezielle Anwendungen Grundprinzipien der AD-Wandlung 631

11 XII Inhaltsverzeichnis 24.5 Genauigkeit von AD-Wandlern 24.6 Ausftihrung von AD-Wandlern 25 Me8schaltungen 25.1 Spannungsmessung 25.2 Strommessung 25.3 Me13g1eichrichter (AC/DC-Converter) 26 Elektronische Regier 26.1 Grundlagen 26.2 Regler-Typen 26.3 Regelung nichtlinearer Streck en 26.4 Nachlaufsynchronisation (PLL) Anhang 697 Anschriften einiger Halbleiter-Hersteller und Distributoren 697 Literatur 701 Sachverzeichnis 705