Lehr- und Übungsbuch Elektronik Analog- und Digitalelektronik

Transkript

1 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

2 Inhaltsverzeichnis Formelzeichenverzeichnis 14 1 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 37 N IMPATT-Diode Gunn-Dioden Aufgaben Bipolartransistoren Wirkprinzip 40 ft» Strom-Spannungs-Kennlinie Nutzbarer Betriebsbereich Bipolartransistor als Verstärker 47 B> Temperaturverhalten Arbeitspunktabhängigkeit der Stromverstärkung Bipolartransistor als elektronischer Schalter Aufgaben Thyristoren Aufbau und Wirkungsweise Thyristorvarianten Anwendungen von Thyristoren Aufgaben 65

3 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 Bauelentente 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 110

4 Inhaltsverzeichnis Signalflussdarstellung Computergestützte Netzwerkanalyse Aufgaben 113 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 142 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 158 Schaltungen mit Operationsverstärkern Lineare Verstärker Nicht invertierender Verstärker Invertierender Verstärker 160

5 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 ÄC-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 ÄC-Oszillatoren Phasenschieberoszillator Wien-Oszillator Wien-Brücken-Oszillator ZXT-Oszillatoren Quarzoszillatoren Aufgaben Stromversorgungseinheiten Gleichrichterschaltungen Spannungsstabilisierung Einfache Stabilisierungsschaltungen Spannungsregler Erzeugung von Referenzspannungen Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden Bandgap-Referenz Aufgaben 204

6 Inhaltsverzeichnis 11 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 212 Digitaltechnik 213 Einleitung 213 Codierung Das Bit Begriff der Codierung Technisch bedeutsame Codes Zahlensysteme Weitere Binärcodes Sicherung von Codes gegen Fehler Aufgaben 227 Schaltkreisreihen Bipolare Schaltkreisreihen Bipolarer Schalttransistor Bipolare Schaltkreisreihen Unipolare Schaltkreisreihen NMOS-Technik CMOS-Technik Aufgaben 237 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 248 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

7 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 369

8 Inhaltsverzeichnis 13 UO Mikrocontroller Architektur Anwendungsbeispiele Aufgaben 381 ill 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 395 eraturverzeichnis 396 lwortverzeichnis 399