Heiner Herberg. Elektronik. Einführung für alle Studiengänge. Mit 529 Abbildungen. Herausgegeben von Otto Mildenberger. vieweg

Transkript

1 Heiner Herberg Elektronik Einführung für alle Studiengänge Mit 529 Abbildungen Herausgegeben von Otto Mildenberger vieweg

2 VI Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Grandlegende Gesetze Ohmsche Gesetz Kirchhoffsche Gesetze Quellen und Ersatzschaltbilder Spannungsquelle Stromquelle Strom-/Spannungs-Verhalten von Bauelementen Widerstände Kondensator Induktivitäten / Spulen Strom-/Spannungsverhalten an R, C, L Parallel- und Reihenschaltung von Bauelementen Herleitung des Phasenwinkels Grenzfrequenz, Tief-und Hochpassverhalten Integrier- und Differenzierglieder mit RC-Kombinationen Elektrische Leistung und Arbeit Allgemeine Definitionen Definition und Herleitung des Effektivwertes Wirkleistung und Blindleistung Elektrische Arbeit 29 2 PN-Diode Physikalische Grandlagen Aufbau eines Halbleiterkristalls Eigenleitfähigkeit PN-Übergang Arbeitsweise von Halbleiterdioden Allgemeine Kennlinie Parameter von Halbleiterdioden Temperaturverhalten Großsignalverhalten Kleinsignalverhalten Schaltverhalten von Halbleiterdioden 43

3 VII 2.3 Halbleiterdioden als Gleichrichter Einleitung Grandschaltungen mit ohmscher Last Gleichspannungserzeugung mit Glättungskondensator Gleichspannungserzeugung mit Siebkette Halbleiterdioden als Logik-Baustein Sonderformen von Dioden und deren Anwendungen Z-Diode Kapazitätsdioden Tunneldiode Schottky-Dioden Lichtempfindliche Dioden Leuchtdioden 77 3 Bipolar-Transistor Grandlagen Allgemeiner Aufbau eines Transistors Funktionsweise des pnp-transistors Funktionsweise des npn-transistors Strom-/Spannungsbeziehungen am Transistor Grundlagen Großsignalverhalten des Bipolartransistors Kleinsignalverhalten des Bipolartransistors Dynamisches Verhalten des Bipolartransistors Arbeitspunkteinstellung Grundsätze Festlegung des Arbeitspunktes Stabilisierung des Arbeitspunktes Betrachtung der Arbeitspunkteinstellung beim Schalterbetrieb Wechselstromverhalten Weitere Schaltungsvarianten des Bipolartransistors Kollektorschaltung Basisschaltung Beispielschaltung Spannungsregler Transistor als digitaler Schalter Grandlagen Betrachtung der Betriebszustände Schaltverhalten und Schaltzeiten 142

4 VIII Inhaltsverzeichnis 4 Feldeffekttransistoren Grundlagen der Feldeffektransistortechnik Einteilung der Feldeffekttransistoren nach der Steuerungsart Grandfunktion und deren Zusammenhänge Sperrschicht-FET Grandlagen Arbeitspunkteinstellung bei Sperrschicht-FET Feldeffekttransistor mit Isolierschicht Grandlagen Mathematische Grandlagen Kennlinienfelder für MOSFET Arbeitspunkteinstellung für MOSFET Weitere Grandschaltungen mit Feldeffekttransistoren Feldeffekttransistor als gesteuerter Widerstand Feldeffekttransistor als Schalter Grandlagen Statische Betrachtung Statisches Übertragungsverhalten Dynamisches Verhalten CMOS-FET im Schalterbetrieb Grandlagen Statisches Verhalten des CMOS-Schalters Dynamisches Verhalten des CMOS-Schalters Kleinsignalverhalten von Transistoren Einführung Betrachtung des Bipolartransistors Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung Umrechnung der h-parameter Umrechnung von Emitter-in Kollektorschaltung Umrechnung von Emitter-in Basisschaltung Arbeitspunktabhängigkeit der h-parameter Betrachtung des Unipolartransistors Source-Schaltung Interpretation der Differentiale am Kennlinienfeld Arbeitspunktabhängigkeit der y-parameter 224

5 6 Betriebskenngrößen von Transistorschaltungen Der Vierpol Allgemeine Grandlagen Schnittstellenvarianten an einer Verstärkerschaltung Beschreibungssysteme Beschreibung mittels h-parameter Bedeutung der einzelnen Parameter (allgemeine Darstellung) Interpretation der h-parameter Betrachtung von Ein-und Ausgangswiderstand Betrachtung des Transistors und dessen Umfeld Betrachtung von Ein- und Ausgangswiderstand Betrachtung der Verstärkungen Vierpol-Ersatzschaltbild mit y-parametern Allgemeine Darstellung Bedeutung der Einzelparameter in y-darstellung Darstellung des Transistors mit y-parameter Betriebseigenschaften der y-parameter Zusammenhang zwischen h- und y-parametern Frequenzverhalten von Transistorschaltungen Allgemeine Betrachtung der Emitter-Schaltung Überlegungen zur Wirkung der Kapazitäten Mathematische Betrachtungen Betrachtung der Beschaltung Betrachtung der Spannungsverstärkung Der rückgekoppelte Transistorverstärker Problemstellung Rückkopplung Ziel der Kopplungen Prinzipien der Rückkopplung Varianten der Rückkopplungen Einsatzfall der Strom-Spannungs-Gegenkopplung Spannungsanalyse Analyse der Impedanzen Umformung und Übertragung der Widerstandsanteile Verstärkungsanalyse Wirkungen auf die Ein- und Ausgangsimpedanz 277

6 8.4.6 Näherungen bei der Strom-/Spannungs-Gegenkopplung Einsatzfall der Spannungs-/ Strom-Gegenkopplung Grandprinzip Analyse über y-parameter Differenzverstärker Grandlagen Allgemeiner Differenzverstärker Grandvoraussetzungen für diese Funktion Funktionsweise Betrachtung der Signalparameter Berechnung der Verstärkerparameter Grundlagen der Operationsverstärkertechnik Einführung Allgemeine Beschreibung eines OPV Hauptbaugrappen eines OPV Grandkenngrößen von Operationsverstärkern Wichtige Parameter Übertragungsverhalten Wechselstromeigenschaften Statische Eigenschaften Abgleichmöglichkeiten der Offsetfehler Betriebsarten Nichtinvertierender Betrieb Invertierender Betrieb Differenzbetrieb Gleichtaktbetrieb Allgemeine Grandanwendungen von Operationsverstärkern Der rückgekoppelte OPV Operationsverstärker - Anwendungen Einführung zur Anwendung von Operationsverstärkern Festlegungen Grandschaltungen für Spannungsverstärker Invertierender Spannungsverstärker Betrachtung eines idealen Operationsverstärkers Betrachtung eines realen Operationsverstärkers Kompensation von Eingangsrahestrom und Offsetspannung 323

7 XI 11.3 Nichtinvertierender Verstärker Betrachtung des idealen OPVs Betrachtung eines realen OPV Ersatzschaltbild des nichtinvertierenden OPVs Operationsverstärker als Niederfrequenzverstärker Analoge Rechenschaltungen Addierer Subtrahierer Exponentialverstärker Logarithmierverstärker Signalaufbereitung mit OPV Integrierer Differenzierer Vierpolbeschaltung Nichtlineare Schaltungsstufen Spannungskomparator Schmitt-Trigger Astabiler Multivibrator 348 Literaturverzeichnis 352 Sachwortverzeichnis 355