Elektronik. www. Günther Koß Wolfgang Reinhold Friedrich Hoppe. Lehr- und Übungsbuch. Analog- und Digitalelektronik. 3. Auflage

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1 Günther Koß Wolfgang Reinhold Friedrich Hoppe Lehr- und Übungsbuch Elektronik Analog- und Digitalelektronik 3. Auflage www mit Website neu bearbeitete Auflage

2 Koß/Reinhold/Hoppe Lehr- und Übungsbuch Elektronik

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4 Günther Koß Wolfgang Reinhold Friedrich Hoppe Lehr- und Übungsbuch Elektronik Analog- und Digitalelektronik 3., neu bearbeitete Auflage mit 603 Bildern, 102 Tabellen, 145 Beispielen und 131 Aufgaben und Lösungen im Internet Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

5 Prof. Dr. Wolfgang Reinhold Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Kapitel 1 und 2 Prof. Günther Koß Prof. Dr. Friedrich Hoppe Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Kapitel 3 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG ausdrücklich genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag c 2005 Carl Hanser Verlag München Wien Internet: Lektorat: Dipl.-Ing. Erika Hotho Herstellung: Dipl.-Ing. Franziska Kaufmann Satz: Satzherstellung Dr. Steffen Naake, Chemnitz Druck und Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany

6 Vorwort Die Darstellung des sehr umfangreichen Fachgebietes der Elektronik in einem Buch mag zunächst vermessen erscheinen. Eine Konzentration auf die grundlegenden Problemstellungen ist dabei unumgänglich. Gleichzeitig bietet sich jedoch ein wichtiger Vorteil. Dem Studierenden kann die Einarbeitung in das Gesamtgebiet anhand einer durchgängigen Systematik erleichtert werden. Anhand der Herausarbeitung schaltungstechnischer Grundkonzepte zur Realisierung der wichtigen funktionellen Baugruppen lassen sich die notwendigen Abstraktionen der Schaltungsmodellierung und die erforderlichen mathematischen Methoden zur Schaltungsberechnung in ihrer Zusammengehörigkeit verdeutlichen. Die Gliederung in die drei Abschnitte Elektronische Bauelemente, Analogtechnik und Digitaltechnik orientiert sich an der Spezifik der Problemstellungen, Lösungsmethoden und mathematischer Handwerkszeuge in diesen Teilbereichen der Elektronik. Einen Schwerpunkt im Kapitel Elektronische Bauelemente bildet die Darstellung funktioneller Wirkungsmechanismen. Sie liefern die Ansätze für die Modellierung des Bauelementeverhaltens. Viel Wert wird auf die anschauliche Ableitung von Ersatzschaltungen gelegt. Das Kapitel Analogtechnik vermittelt die Methodik der Schaltungsanalyse und Dimensionierung zunächst anhand der Transistorverstärker. Auf der Basis verallgemeinerter Verstärker wird anschließend der wichtige Komplex der Gegenkopplung vermittelt. Die Darstellung aller weiteren Funktionsgruppen der Elektronik orientiert sich hauptsächlich auf Operationsverstärkerschaltungen. Die Vielfalt der heute kommerziell verfügbaren Operationsverstärker erlaubt es, mit wenig Zusatzaufwand ideale Schaltungseigenschaften zu erzielen. In einer Reihe von Beispielen erhält der Leser Anregungen zur Nutzung des Netzwerksimulators PSpice. Das Kapitel Digitaltechnik stellt die wesentlichen Grundlagen und Realisierungsmöglichkeiten digitaler Steuerungs- und Signalverarbeitung dar. Im Vordergrund stehen der Entwurf und die Analyse kombinatorischer und sequentieller Funktionsgruppen mit klassisch-elementaren und rechnergestützten Methoden. Bei der Entscheidung zu einem digitalen Systemprojekt ( fest verdrahtete Hardware oder programmierbares Mikroprozessorsystem) wird die ingenieurmäßige Nutzung von Standard- und Spezialprozessor-Systemen berücksichtigt. Dieses Lehrbuch wendet sich hauptsächlich an Fachhochschulstudenten der Elektrotechnik. Wegen seiner straffen und übersichtlichen Darstellung kann es aber auch als einführende Literatur für Studenten an Technischen Universitäten und Hochschulen empfohlen werden. Vorausgesetzt werden lediglich Grundkenntnisse der Elektrotechnik und Mathematik. Zahlreiche Beispiele und Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen erleichtern die Einarbeitung in den Stoff und fördern die Selbständigkeit. Unser herzlicher Dank gilt den Kollegen des Fachbereichs sowie Frau Hotho vom Fachbuchverlag Leipzig für Diskussionen und die Unterstützung bei der Gestaltung des Buches. Leipzig, im April 1998 Günther Koß, Wolfgang Reinhold

7 Vorwort zur 3. Auflage Dieses Buch hat in den vergangenen Jahren eine große Resonanz gefunden. Davon zeugen auch zahlreiche Leserzuschriften. Unser Dank gilt allen interessierten Lesern, die mit Ihren Anregungen und Hinweisen zur Überarbeitung des Buches beigetragen haben. Neben vielen Aktualisierungen liegt der Schwerpunkt dieser Neubearbeitung auf generell ausführlicheren Erläuterungen, wie beispielweise einer tiefer gehenden Einführung in die Digitalelektronik. Dem Einsteiger soll damit ein besseres Verständnis der Zusammenhänge ermöglicht werden. Auch hoffen die Autoren, mit der komprimierten Darstellung der Elektronikbereiche in einem Band den veränderten Anforderungen von Bachelorstudiengängen entgegenzukommen. Insbesondere im Kapitel Analogelektronik ist das Thema Operationsverstärker erweitert. Die systemtheoretische Sicht auf den Operationsverstärker als universeller Verstärkerbaublock wird zu einer Betrachtung als gesteuerte Quelle verallgemeinert und dementsprechend vier Operationsverstärkertypen (VV-OPV, VC-OPV, CV-OPV und CC-OPV) eingeführt. Die Charakteristika dieser Operationsverstärkertypen und ihre Vorteile werden anhand typischer Anwendungsbeispiele aufgezeigt. Damit wird dem Trend zur verstärkten Verfügbarkeit solcher Operationsverstärker entsprochen. Im Kapitel Digitalelektronik ist wieder neben dem Aspekt der Schaltungstechnik auch der wachsenden Bedeutung der Programmierbarkeit der Hardwarestrukturen (Hardware Description Languages) entsprochen worden. Die (auch elementar) verständliche Darstellung wesentlicher Mikroprozessorsysteme und ihrer Programmierung betont das heute nötige Wissensprofil des Elektronikers in den Anteilen von Hard- und Software. Dankenswerterweise hat Herr Prof. Hoppe mit dieser Auflage die Bearbeitung der Abschnitte Mikroprozessoren und Signalprozessoren übernommen. Wir danken dem Fachbuchverlag Leipzig, insbesondere Frau Erika Hotho, für die sehr anregende und vertrauensvolle Zusammenarbeit und Herrn Dr. Steffen Naake für die Satzund Umbruchgestaltung in bewährter Weise. Leipzig, Berlin im Januar 2005 Günther Koß Wolfgang Reinhold Friedrich Hoppe

8 Inhaltsverzeichnis Formelzeichenverzeichnis Elektronische Bauelemente Physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik Eigenleitung Halbleiter mit Störstellen Generationsmechanismen Ladungsträgertransportmechanismen Aufgaben Halbleiterdioden pn-übergang Wirkprinzip Strom-Spannungs-Kennlinie Ladungsspeicherung Kleinsignalverhalten Schaltverhalten Temperaturverhalten Spezielle Dioden und ihre Anwendungen Gleichrichterdiode Z-Diode Kapazitätsdiode Tunneldiode Schottky-Diode Mikrowellendioden IMPATT-Diode Gunn-Dioden Aufgaben Bipolartransistoren Wirkprinzip Strom-Spannungs-Kennlinie Nutzbarer Betriebsbereich Bipolartransistor als Verstärker Temperaturverhalten Arbeitspunktabhängigkeit der Stromverstärkung Bipolartransistor als elektronischer Schalter Aufgaben Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise Thyristorvarianten Anwendungen von Thyristoren Aufgaben

9 8 Inhaltsverzeichnis 1.5 Feldeffekttransistoren MOSFET Wirkprinzipien verschiedener Typen Strom-Spannungs-Kennlinie Ableitung der Strom-Spannungs-Kennlinie MOSFET als Verstärker Effekte bei integrierten MOSFET MOSFET als elektronischer Schalter Thermisches Verhalten Sperrschicht-FET Strom-Spannungs-Kennlinie Kleinsignalverhalten Aufgaben Rauschen elektronischer Bauelemente Widerstandsrauschen Diodenrauschen Transistorrauschen Rauschspannung Rauschfaktor Aufgabe Operationsverstärker Der ideale Operationsverstärker Aufbau eines Operationsverstärkers Statische Kenngrößen realer Operationsverstärker Dynamisches Verhalten von Operationsverstärkern Rauschen in Operationsverstärkern Moderne Operationsverstärkertypen Aufgaben Optoelektronische Bauelemente und Halbleitersensoren Fotosensoren Leuchtdioden Optokoppler Spezielle Halbleitersensoren Temperatursensoren Magnetfeldsensoren Piezowandler Aufgaben Analogtechnik Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen Ersatzschaltbilder Groß- und Kleinsignalanalyse Kleinsignalersatzschaltung Vierpoldarstellung Darstellung des Übertragungsverhaltens

10 Inhaltsverzeichnis Signalflussdarstellung Computergestützte Netzwerkanalyse Aufgaben Lineare Verstärkergrundschaltungen Grundmodell eines Spannungsverstärkers Einstufige Verstärker mit Bipolartransistoren Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung (Emitterfolger) Vergleich der einstufigen Transistorverstärkerschaltungen Einstufige Verstärker mit Feldeffekt-Transistoren Grundschaltungen mit mehreren Transistoren Kaskodeschaltung Differenzverstärker Stromspiegel Differenzverstärker mit Stromspiegellast Transistor-Stromquellen Darlington-Schaltung Leistungsendstufen Frequenzverhalten von Verstärkerstufen Untere Grenzfrequenz der Emitterschaltung Obere Grenzfrequenz der Emitterschaltung Kopplung von Verstärkerstufen Aufgaben Gegenkopplung Allgemeines Modell der Gegenkopplung Schaltungsarten der Gegenkopplung Effekte der Gegenkopplung Parameterempfindlichkeit Einfluss der Gegenkopplung auf Ein- und Ausgangsimpedanz Übertragungsbandbreite Miller-Effekt Bootstrap-Effekt Gezielte Beeinflussung des Frequenzganges eines Verstärkers Anwendungen der Gegenkopplungsvarianten Operationsverstärkerschaltungen mit Gegenkopplung Transistorschaltungen mit Gegenkopplung Stabilität rückgekoppelter Verstärker Frequenzgangkorrektur von Verstärkern Aufgaben Schaltungen mit Operationsverstärkern Lineare Verstärker Nicht invertierender Verstärker Invertierender Verstärker

11 10 Inhaltsverzeichnis Rechenschaltungen Addierer Subtrahierer Differenzierer Integrator Multiplizierer Dividierer Nichtlineare Schaltungen Komparatoren und Schmitt-Trigger Signalformung Stromquellen Schaltungstechnik mit modernen Operationsverstärkern VC-OPV und seine Anwendung CV-OPV als Hochfrequenz-Baublock CC-OPV und seine Anwendung als idealer Transistor Aufgaben Aktive Filter Aktive RC-Filter Tiefpässe 2. Ordnung Hochpässe 2. Ordnung Bandpässe 2. Ordnung Bandsperren 2. Ordnung Universalfilter SC-Filter SC-Integrator Schaltungsrealisierung von SC-Filtern Aufgaben Oszillatoren Grundstruktur und Schwingbedingung RC-Oszillatoren Phasenschieberoszillator Wien-Oszillator Wien-Brücken-Oszillator LC-Oszillatoren Quarzoszillatoren Aufgaben Stromversorgungseinheiten Gleichrichterschaltungen Spannungsstabilisierung Einfache Stabilisierungsschaltungen Spannungsregler Erzeugung von Referenzspannungen Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden Bandgap-Referenz Aufgaben

12 Inhaltsverzeichnis Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler Kennwerte von A/D-Wandlern A/D-Wandlungsverfahren Grundprinzipien der D/A-Wandlung D/A-Wandler mit Widerstandsnetzwerk Summation gewichteter Ströme Fehlerkorrigierende D/A-Wandler Aufgaben Digitaltechnik Einleitung Codierung Das Bit Begriff der Codierung Technisch bedeutsame Codes Zahlensysteme Weitere Binärcodes Sicherung von Codes gegen Fehler Aufgaben Schaltkreisreihen Bipolare Schaltkreisreihen Bipolarer Schalttransistor Bipolare Schaltkreisreihen Unipolare Schaltkreisreihen NMOS-Technik CMOS-Technik Aufgaben Schaltalgebra Schaltfunktionen Schaltfunktionen und Schalt(er)netze Gesetze und Rechenregeln der Schaltalgebra Schaltfunktionen und Wertetabelle Minimierung von Schaltfunktionen NAND-NAND- und NOR-NOR-Strukturen OR-NAND- und AND-NOR-Strukturen Aufgaben Synthese und Analyse kombinatorischer Schaltungen Begriff der kombinatorischen Schaltung Entwurf technisch bedeutsamer Funktionsgruppen Allgemeine Steuerschaltungen Codierer Multiplexer Rechenschaltungen Entwurf kombinatorischer Schaltungen mit Multiplexern Entwurf kombinatorischer Schaltungen mit Festwertspeichern (ROM).. 259

13 12 Inhaltsverzeichnis Analyse kombinatorischer Schaltungen Aufgaben Entwurf synchroner sequenzieller Schaltungen (Schaltwerke) Flipflop Elementarspeicher (asynchrones RS-Flipflop) Steuerungsprinzipien für Flipflop Erweiterte Flipflop Synthese und Analyse synchroner sequenzieller Schaltungen Begriff synchroner sequenzieller Schaltungen Beschreibung sequenzieller Schaltungen Synthese technisch bedeutsamer Funktionsgruppen ROM-basierte kombinatorische Schaltungen in sequenziellen Schaltungen Analyse sequenzieller Schaltungen Kippschaltungen mit Digitalschaltkreisen Aufgaben Anwenderspezifische digitale Schaltkreise und Hardware-Beschreibungs-Sprachen Schaltungsrealisierung in PAL Schaltungsrealisierung mit FPGA VHDL Aufgaben Halbleiterspeicher Festwertspeicher ROM EPROM EEPROM Speicherorganisation und Schaltsymbole Schreib-Lese-Speicher Statische RAM Dynamische RAM Erweiterung der Speicherkapazität Aufgaben Mikroprozessorsysteme Elementarer Mikroprozessor Befehlssatz des 4-Bit-Prozessors Entwurf einer 4-Bit-ALU Komponenten des Mikroprozessors Befehlsablaufsteuerung Unterprogrammtechnik Reset und Takt Speicher und Ein-/Ausgabe Fest verdrahtetes Steuerwerk Mikroprozessorreihe 80x Assemblerprogrammierung Aufgaben

14 Inhaltsverzeichnis Mikrocontroller Architektur Anwendungsbeispiele Aufgaben Signalprozessoren Signalprozessoranwendungen Signalprozessor-Strukturen Der Signalprozessor DSP Daten-ALU Adresserzeugung Beispiel in Assembler DSP56303-Evaluation-Modul Tasking-Entwicklungsumgebung Beispielprogramme Das Hauptprogramm Sägezahnerzeugung Sinussignalerzeugung Digitales Filter Laufzeitanalyse Aufgaben Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

15 Formelzeichenverzeichnis Elektronische Bauelemente und Analogtechnik a A A(ω ) A I A N b b B B I B N c C C D C F C GD C GS CMRR C R C S C SC C SE d S D n D p D T e E E Ph f f m f o Kleinsignalstromverstärkung in Basisschaltung Querschnittsfläche Amplitudenfrequenzgang Stromverstärkungsfaktor in Basisschaltung (Inversbetrieb) Stromverstärkungsfaktor in Basisschaltung (Normalbetrieb) Kanalbreite des MOSFET Kleinsignalstromverstärkung in Emitterschaltung Bandbreite Stromverstärkungsfaktor in Emitterschaltung (Inversbetrieb) Stromverstärkungsfaktor in Emitterschaltung (Normalbetrieb) Lichtgeschwindigkeit Kapazität Diffusionskapazität Temperaturbeiwert des Diodenflussstromes Gate-Drain-Kapazität Gate-Source-Kapazität Gleichtaktunterdrückung, logarithmisch Temperaturbeiwert des Diodensperrstromes Sperrschichtkapazität Kollektorsperrschichtkapazität Emittersperrschichtkapazität Ausdehnung der Sperrschicht Diffusionskoeffizient der Elektronen Diffusionskoeffizient der Löcher Temperaturdurchgriff Elementarladung eines Elektrons Feldstärke Beleuchtungsstärke Frequenz Bandmittenfrequenz untere Grenzfrequenz f R Resonanzfrequenz f u obere Grenzfrequenz f T Transitfrequenz g Gegenkopplungsgrad g d Drain-Source-Leitwert des MOSFET g m Steilheit des MOSFET g mb Backgatesteilheit des MOSFET G Gleichtaktunterdrückung G(jω ) Übertragungsfunktion G Av Generationsrate bei Stoßionisation G Ph Fotogenerationsrate G th Generationsrate bei thermischer Generation h Plancksches Wirkungsquantum I elektrische Stromstärke I Stromänderung I komplexe elektrische Stromstärke Î Stromamplitude I AP Arbeitspunktstrom I B Basisstrom I B0 Basisstrom im Arbeitspunkt I C Kollektorstrom I C0 Kollektorstrom im Arbeitspunkt I CB0 Reststrom der Kollektor-Basis-Strecke I CES, I ECS Transfersättigungsströme I CE0 Reststrom der Kollektor-Emitter- Strecke I CS Sättigungsstrom der Kollektor-Basis- Diode I D Diodenstrom I D Drainstrom I E Emitterstrom I ES Sättigungsstrom der Emitter-Basis- Diode I F Fotostrom I G Gatestrom I H Haltestrom In Elektronenstrom Ip Löcherstrom I r Rauschstrom I rg Rekombinations-Generations-Strom

16 Formelzeichenverzeichnis 15 I S I SP k k k i K K K S L L LSB m M MSB n N A NA N D N D + n i n n n p n 0 p p p n p p p 0 P e P th P tr P V P P = Q Q r a r ab r d r e r eb R Diodensättigungsstrom Sperrstrom Ausschaltfaktor Boltzmann-Konstante Stromrückwirkung Klirrfaktor Rückkoppelfaktor Thermokraft Induktivität Kanallänge des MOSFET niederwertigstes Bit Übersteuerungsgrad Stromspiegelverhältnis höchstwertigstes Bit Elektronendichte Akzeptorendichte Dichte der ionisierten Akzeptoren Donatorendichte Dichte der ionisierten Donatoren Eigenleitungsdichte Elektronendichte im n-halbleiter Elektronendichte im p-halbleiter Elektronendichte im thermodynamischen Gleichgewicht komplexe Frequenz Löcherdichte Löcherdichte im n-halbleiter Löcherdichte im p-halbleiter Löcherdichte im thermodynamischen Gleichgewicht Eingangsleistung Wärmeleistung Verlustleistung des Transistors Verlustleistung Signalleistung Gleichleistung elektrische Ladung Güte Ausgangswiderstand Betriebs-Ausgangswiderstand differenzieller Innenwiderstand einer Diode Eingangswiderstand Betriebs-Eingangswiderstand elektrischer Widerstand R D R L R th S S S S G,a S i ( f ) SNR S R S t f t S T T T T L U U U Ũ Û U BC U BE U BEF U BR U CE U CE0 U CES U D U D U DS U F0 U gl U GS U K U OS U SP U t U th U T U Z v d Gleichstromwiderstand einer Diode Lastwiderstand thermischen Widerstand Stabilisierungsfaktor Steilheit Stabilisierungsfaktor Empfindlichkeit Rauschleistungsdichte Signal-Rausch-Abstand Slewrate normierten Stabilisierungsfaktor Abfallzeit Speicherzeit Periodendauer Temperatur in K Temperaturänderung Laufzeit elektrische Spannung Spannungsänderung komplexe elektrische Spannung Effektivwert der Spannung Spannungsamplitude Basis-Kollektor-Spannung Basis-Emitter-Spannung Flussspannung der Basis-Emitter- Diode Durchbruchspannung Kollektor-Emitter-Spannung Kollektor-Emitter-Spannung im Arbeitspunkt Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung Differenzspannung Diffusionsspannung Drain-Source-Spannung Flussspannung einer Diode Gleichtaktspannung Gate-Source-Spannung Zündspannung Offsetspannung Sperrspannung einer Diode Schwellspannung Thermospannung Temperaturspannung Z-Spannung Driftverstärkung

17 16 Formelzeichenverzeichnis v D v g v Gl v i v ib v u v ub W A W C W D W g W Ph W V Y Y T Z Z T β β (λ ) γ ε η η ϕ Differenzverstärkung maximale Driftgeschwindigkeit Gleichtaktverstärkung Stromverstärkung Betriebs-Stromverstärkung Spannungsverstärkung Betriebs-Spannungsverstärkung Energieniveau der Akzeptoren Energieniveau der Leitbandkante Energieniveau der Donatoren Breite der verbotenen Zone Energie eines Lichtquants Energieniveau der Valenzbandkante Admittanz Übertragungsadmitanz Impedanz Übertragungsimpedanz Transistorkonstante des MOSFET Absorptionskoeffizient des Halbleiters Body-Faktor des MOSFET Permittivität Spannungsrückwirkung Wirkungsgrad Potential Digitaltechnik ϕ (ω ) Phasenfrequenzgang ϕ R Phasenreserve κ spezifische Leitfähigkeit λ Wellenlänge λ Kanallängenverkürzung beim MOSFET µ p Löcherbeweglichkeit µ n Elektronenbeweglichkeit ϱ Raumladung, ω Kreisfrequenz ω α Grenzfrequenz der Basisschaltung ω β Grenzfrequenz der Emitterschaltung ω g Grenzfrequenz ω T Transitfrequenz Ω normierte Frequenz τ Ladungsträgerlebensdauer τ BI Basislaufzeit (Inversbetrieb) τ BN Basislaufzeit (Normalbetrieb) τ D Diodenzeitkonstante τ n Elektronenlebensdauer τ p Löcherlebensdauer τ s Ladungsträgerlebensdauer in der Verarmungszone τ S Speicherzeitkonstante x, y, a, b, x 1, x 0 usw. binäre Variable y = f (x n 1,...,x 1, x 0 ) Schaltfunktionen der abhängigen binären Variablen y von den unabhängigen binären Variablen x n 1,...,x 1, x 0 X = [x n 1,...,x 1, x 0 ] Zustand(svektor) X der binären Variablen x n 1,...,x 1, x 0 A = [x 3, x 0, a, b, res, a_ctrl] Beispiel für Zustand(svektor) A X oft als Eingangszustand sequentieller Schaltungen Y oft als innerer Zustand sequentieller Schaltungen Z oft als Ausgangszustand sequentieller Schaltungen Z = F(Y ) Schaltfunktionenbündel