Halbleiter- Schaltungstechnik. Springer. U. Tietze. Ch. Schenk. 12. Auflage. Unter Mitarbeit von E. Gamm. Mit Abbildungen und CD-ROM

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1 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. U. Tietze. Ch. Schenk Halbleiter- Schaltungstechnik 12. Auflage Unter Mitarbeit von E. Gamm Mit Abbildungen und CD-ROM Springer

2 Übersicht Teil I. Grundlagen 1 I. Diode Bipolartransistor Feldeffekttransistor Verstärker Operationsverstärker Kippschaltungen Digitaltechnik Grundlagen Schaltnetze (Kombinatorische Logik) Schaltwerke (Sequentielle Logik) Halbleiterspeicher Teil I1. Anwendungen Lineare und nichtlineare Analogrechenschaltungen Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter Aktive Filter Signalgeneratoren Leistungsverstärker Stromversorgung Analogschalter und Abtast-Halte-Glieder DA- und AD-Umsetzer Digitale Filter Messschaltungen Sensorik Elektronische Regler Optoelektronische Bauelemente... Teil I11. Schaltungen der Nachrichtentechnik Grundlagen Sender und Empfänger Passive Komponenten Hochfrequenz-Verstärker Mischer Anhang Literaturverzeichnis Sachverzeichnis

3 Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1. Diode 1.1 Verhalten einer Diode I Kennlinie Beschreibung durch Gleichungen Schaltverhalten I. 4 Kleinsignalverhalten Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten... I. 1.7 Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Aufbau einer Diode Einzeldiode Integrierte Diode Modell für eine Diode Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Spezielle Dioden und ihre Anwendung Z-Diode pin-diode Kapazitätsdiode... I. 4.4 Brückengleichrichter Mischer Bipolartransistor 2.1 Verhalten eines Bipolartransistors I Kennlinien Beschreibung durch Gleichungen Verlauf der Stromverstärkung Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter Aufbau eines Bipolartransistors Einzeltransistoren Integrierte Transistoren

4 XI1 Inhaltsverzeichnis 2.3 Modelle für den Bipolartransistor Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Rauschen.., Grundschaltungen Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung Darlington-Schaltung Feldeffekttransistor Verhalten eines Feldeffekttransistors Kennlinien Beschreibung durch Gleichungen Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten S Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Fet-Parameter Aufbau eines Feldeffekttransistors Integrierte Mosfets Einzel-Mosfets Sperrschicht-Fets Gehäuse Modelle für den Feldeffekttransistor Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Rauschen Grundschaltungen Sourceschaltung Drainschaltung Gateschaltung Verstärker Schaltungen Stromquellen und Stromspiegel Kaskodeschaltung Differenzverstärker Impedanzwandler I.5 Schaltungen zur Arbeitspunkteinstellung Eigenschaften und Kenngrößen Kennlinien Kleinsignal

5 Inhaltsverzeichnis XI Nichtlineare Kenngrößen Rauschen Operationsverstärker Übersicht Operationsverstärker-Typen Prinzip der Gegenkopplung Der normale Operationsverstärker (V Das Prinzip Universalverstärker Betriebsspannungen Single-Supply-Verstärker Rail-to-Rail-Verstärker Breitband-Operationsverstärker Frequenzgang-Korrektur Parameter von Operationsverstärkern Der Transkonduktanz-Verstärker (VC-OPV) Innerer Aufbau Typische Anwendung Der Transimpedanz-Verstärker (CV-OPV) Innerer Aufbau Frequenzverhalten Typische Anwendungen Der Strom-Verstärker (CC-OPV) I Innerer Aufbau Typische Anwendung Vergleich Praktischer Einsatz Typen Kippschaltungen Der Transistor als digitales Bauelement Kippschaltungen mit gesättigten Transistoren Bistabile Kippschaltung Monostabile Kippschaltungen Astabile Kippschaltung Kippschaltungen mit emittergekoppelten Transistoren Emittergekoppelter Schmitt-Trigger Emittergekoppelter Multivibrator Kippschaltungen mit Gattern Flip-Flop Univibrator Multivibrator

6 XIV Inhaltsverzeichnis 6.5 Kippschaltungen mit Komparatoren Komparatoren Schmitt-Trigger Multivibratoren Univibratoren Digitaltechnik Grundlagen Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Das Karnaugh-Diagramm Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Widerstands-Transitor-Logik (RTL) Dioden-Transistor-Logik (DTL) Langsame Störsichere Logik (LSL) Transistor-Transistor-Logik (TTL) Emittergekoppelte Logik (ECL) Komplementäre MOS-Logik (CMOS) NMOS-Logik Übersicht Verbindungsleitungen...: Schaltnetze (Kombinatorische Logik) Zahlendarstellung Positive ganze Zahlen im Dualcode Positive ganze Zahlen im BCD-Code Ganze Dualzahlen mit beliebigem Vorzeic Festkomma-Dualzahlen Gleitkomma-Dualzahlen Multiplexer aus-n-Decoder Demultiplexer Multiplexer Prioritäts-Decoder Schiebelogik (Barrel Shifter) Komparatoren Addierer Halbaddierer Volladdierer Parallele Ubertragslogik Subtraktion Zweierkomplement-Überlauf Addition und Subtraktion von Gleitkomma-Zahlen

7 Inhaltsverzeichnis XV 8.7 Multiplizierer Multiplikation von Festkomma-Zahlen Multiplikation von Gleitkomma-Zahlen Schaltwerke (Sequentielle Logik) Integrierte Flip-Flops Transparente Flip-Flops Flip-Flops mit Zwischenspeicherung Dualzähler Asynchroner Dualzähler Synchrone Dualzähler Vorwärts-Rückwärtszähler BCD-Zähler im Code Asynchroner BCD-Zähler Synchroner BCD-Zähler Vorwahlzähler Schieberegister Grundschaltung Schieberegister mit Paralleleingabe Aufbereitung asynchroner Signale Entprellung mechanischer Kontakte Flankengetriggertes RS-Flip-Flop Synchronisation von Impulsen Synchrones Monoflop Synchroner Änderungsdetektor Synchroner Taktschalter Systematischer Entwurf von Schaltwerken Zustandsdiagramm Entwurfsbeispiel für einen umschaltbaren Zähler Reduzierung des Speicherplatzbedarfs Abhängigkeitsnotation Halbleiterspeicher Schreib-Lese-Speicher (RAM) Statische RAMs Dynamische RAMs RAM-Erweiterungen Zweitorspeicher RAM als Schieberegister First-In-First-Out Memories (FIFO) Fehler-Erkennung und -Korrektur Festwertspeicher (ROM) Masken-ROMs Programmierbare Festwertspeicher (PROM) UV-löschbare Festwertspeicher (EPROM) Elektrisch löschbare Festwertspeicher (EEPROMs)

8 XVI Inhaltsverzeichnis 10.4 Programmierbare logische Bauelemente (PLD) Programmable Array Logic (PAL) Computer-gestützter PLD-Entwurf Typenübersicht Anwender-programmierbare Gate-Arrays Teil I1. Anwendungen Lineare und nichtlineare Analogrechenschaltungen Addierer Subtrahierer Rückführung auf die Addition Subtrahierer mit einem Operationsverstärker Bipolares Koeffizientenglied Integratoren Umkehrintegrator Anfangsbedingung Summationsintegrator Nicht invertierender Integrator Differentiatoren Prinzipschaltung Praktische Realisierung Differentiator mit hohem Eingangswiderstand Lösung von Differentialgleichungen Funktionsnetzwerke Logarithmus Exponentialfunktion Bildung von Potenzfunktionen über Logarithmen Sinus- und Cosinusfunktion Einstellbares Funktionsnetzwerk Analog-Multiplizierer Multiplizierer mit logarith enden Funktionsgeneratoren Steilheits-Multiplizierer Multiplizierer mit elektrisch isolierten Kopplem Abgleich von Multiplizierem Erweiterung von Ein- und Zweiquadrantenmultiplizierern zu Vierquadrantenmultiplizierern Multiplizierer als Dividierer und Radizierer Koordinatentransformation Transformation von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten 790 Transformation von kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten

9 Inhnltcverxeichnic XVII 12. Gesteuerte Quellen und Jmpedanzkonverter Spannungsgesteuerte Spannungsquellen Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen Stromquellen für erdfreie Verbraucher Stromquellen für geerde Transistor-Präzisionsstromquellen Schwimmende Stromqu 12.4 Stromgesteuerte Stromquellen Der NIC (Negative Impedance Der Gyrator Der Zirkulator Aktive Filter Theoretische Grundlagen von Tiefpassfiltern Butterworth-Tiefpässe I.2 Tschebyscheff-Tiefpässe Bessel-Tiefpässe Zusammenfassung der Theorie... Tiefpass-Hochpass-Transformation... Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 1. Ordnung Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 2. Ordnung LRC-Filter Filter mit Mehrfachgegenk Filter mit Einfachmitkopplung Realisierung von Tief- und Hochpassfilte Tiefpass-Bandpass-Transformation Bandpassfilter 2. Ordnung Bandpassfilter 4. Ordnung.... Realisierung von Bandpassfiltern 2. Ordnung I LRC-Filter Bandpass mit Mehrfachgege Bandpass mit Einfachmitkopplung Tiefpass-Bandsperren-Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ord LRC-Sperrfilter Aktive Doppel-T Aktive Wien-Robinson-Ba Allpässe Grundlagen Realisierung von Allpässen 1. Ordnung Realisierung von Allpässen 2. Ordnung Einstellbare Universalfilter

10 XVIII Inhaltsverzeichnis Switched-Capacitor-Filter Grundprinzip Der SC-Integrator SC-Filter 1. Ordnung SC-Filter 2. Ordnung Integrierte Realisierung von SC-Filtern Allgemeine Gesichtspunkte beim Einsatz von SC-Filtern Typenübersicht Signalgeneratoren LC-Oszillatoren Schwingbedingung Meißner-Schaltung I. 3 Hartley-Schaltung (induktive Dreipunktschaltung) Colpitts-Oszillator (kapazitive Dreipunktschaltung) Emittergekoppelter LC-Oszillator Gegentaktoszillatoren Quarzoszillatoren Elektrische Eigenschaften eines Schwingquarzes Grundwellen-Oszillatoren Oberwellen-Oszillatoren Wien-Brücken-Oszillatoren Analogrechner-Oszillatoren Funktionsgeneratoren Prinzipielle Anordnung Praktische Realisierung Funktionsgeneratoren mit steuerbarer Frequenz Funktionsgeneratoren zur gleichzeitigen Erzeugung von Sinus- und Cosinus-Schwingungen Leistungsverstärker Emitterfolger als Leistungsverstärker Komplementäre Emitterfolger Komplementäre Emitterfolger in B-Betrieb Komplementäre Emitterfolger in AB-Betrieb Erzeugung der Vorspannung Komplementäre Darlington-Schaltungen Komplementäre Sourcefolger Elektronische Strombegrenzung Vier-Quadranten-Betrieb Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstärkung Erhöhung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstärker

11 In hal ta\, ei-zeic hn i s XI X 16. Stromversorgung I Eigenschaften von Netztransformatoren Netzgleichrichter I Einweggleichrichter Brückengleichrichter Mittelpunkt-Schaltung Lineare Spannungsregler Einfachste Ausführung Spannungsregler mit fes Spannungsregler mit einstellbarer Ausgangsspannung Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust Spannungsregler für negative Spannungen Symmetrische Aufteilung einer erdfreien Sp Spannungsregler mit Sensor-Anschlüssen Labornetzgeräte Übersicht über integrierte Spannungsregler Erzeugung der Referenzspannung Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden Bandabstands-Referenz Typenübersicht Schaltnetzteile Sekundärgetaktete Schaltregler Der Abwärts-Wandler Erzeugung des Schaltsignals Der Aufwärts-Wandler Der invertierende Wandler Spannungs-Wandler mit Ladungspumpe Typenübersicht Primärgetaktete Schaltregle Eintakt-Wandler Gegentakt-Wandle Hochfrequenztransformatoren Leistungsschalter Erzeugung der Schaltsignale Verlustanalyse Integrierte Ansteuerschaltungen Analogschalter und Abtast-Halte-Glieder Anordnung der Schalter Elektronische Schalter Fet als Schalter Dioden als Schalter Bipolartransistor als Schalter Differenzverstärker als Schalter

12 XX Inhaltsverzeichnis 17.3 Analogschalter mit Verstärkern Analogschalter für hohe Spannungen Verstärker mit umschaltbarer Verstärkung Abtast-Halte-Glieder Grundlagen Praktische Ausführung DA- und AD-Umsetzer Grundprinzipien der DA-Umsetzung DA-Umsetzer in CMOS-Technologie Summation gewichteter Ströme DA-Umsetzer mit Wechselschaltern Leiternetzwerk Inversbetrieb eines Leiternetzwerks Leiternetzwerk zur Dekadenkopplung DA-Umsetzer in Bipolartechnologie DA-Umsetzer für spezielle Anwendungen Verarbeitung vorzeichenbehafteter Zahlen Multiplizierende DA-Umsetzer Dividierende DA-Umsetzer DA-Umsetzer als Funktionsgenerator Genauigkeit von DA-Umsetzern Statische Kenngrößen Dynamische Kenngrößen Grundprinzipien der AD-Umsetzung Genauigkeit von AD-Umsetzern Statische Fehler Dynamische Fehler Ausführung von AD-Umsetzern Parallelverfahren Kaskadenumsetzer Wägeverfahren Zählverfahren Digitale Filter Abtasttheorem I Praktische Gesichtspunkte Digitale Übertragungsfunktion Beschreibung im Zeitbereich Beschreibung im Frequenzbereich Grundstrukturen Berechnung von FIR-Filtern Grundgleichungen Einfache Beispiele Berechnung der Filterkoeffizienten

13 lnhaltsverseichnis XXI 19.5 Realisierung von FIR-Filtern Parallele Realisierun Serielle Realisierung von FIR-Filtern Berechnung von 11R-Filtern Berechnung der Filterkoeffizienten UR-Filter in Kaskadenstruktur Realisierung von ITR-Filtern Aufbau aus einfachen Bausteinen Aufbau aus hochintegrierten Bausteinen Vergleich von FIR- und IIR-Filtern Messschaltungen Spannungsmessung Impedanzwandler Messung von Potentialdifferenzen Trennverstärker (Isolation Amplifier) Strommessung Erdfreies Amperemeter mit niedrigem Spannungsabfall... I Strommessung auf hohem Potential Messgleichrichter (ACIDC-Converter) I Messung des Betragsmittelwertes Messung des Effektivwertes Messung des Scheitelwertes Synchrongleichnchter Sensorik Temperaturmessung I. 1 Metalle als Kaltleiter Kaltleiter auf Siliziumbasis, PTC... I Heißleiter, NTC Betrieb von Widerstandstemperaturfühlern Transistor a15 Temperatursensor Das Thermoelement... I Typenübersicht Druckmessung Aufbau von Drucksensoren Betrieb temperaturkompensierter Druc soren Temperaturkompensation von Drucksensoren Handelsübliche Drucksensoren Feuchtemessung... I Feuchtesensoren... I Betriebsschaltungen für kapazitive Feuchtesensoren... I 127

14 XXII Inhaltsverzeichnis 21.4 Übertragung von Sensorsignalen Galvanisch gekoppelte Signalübertragung Galvanisch getrennte Signalübertragung Kalibrierung von Sensorsignalen......' Kalibrierung des Analogsignals S.2 Computer-gestützte Kalibrierung Elektronische Regler Grundlagen Regler-Typen P-Regler PI-Regler PID-Regler Einstellbarer PID-Regler Regelung nichtlinearer Strecken Statische Nichtlinearität Dynamische Nichtlinearität Nachlaufsynchronisation (PLL) Abtast-Halte-Glied als Phasendetektor Synchrongleichrichter als Phasendetektor Frequenzempfindlicher Phasendetektor Phasendetektor mit beliebig enveiterbarem Messbereich PLL als Frequenzvervielfacher Optoelektronische Bauelemente Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Phototransistor Leuchtdioden Optokoppler Optische Anzeige Binär-Anzeige AnalogAnzeige Numerische Anzeige Multiplex Anzeige Alpha-Numerische Anzeige Teil I11. Schaltungen der Nachrichtentechnik Grundlagen Nachrichtentechnische Systeme Ubertragungskanäle Leitung Drahtlose Verbindung Faseroptische Verbindung Vergleich der Übertragungskanäle

15 Inhaltaver~eichnic XXIII 24.3 Reflexionsfaktor und S-Parameter Wellengrößen Reflexionsfaktor Wellenquelle S-Parameter Modulationsverfahren Amplitudenmodulation Frequenzmodulation Digitale Modulationsverfahren Mehrfachnutzung und Gruppierung... I Multiplex-Verfahren Duplex-Verfahren Sender und Empfänger Sender I Sender mit analoger Modulation Sender mit digitaler Modulation Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen Empfänger Geradeausempfänger Überlagerungsempfänger Verstärkungsregelung Dynamikbereich eines Empfängers Empfänger für digitale Modulationsverfahren Passive Komponenten Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder Widerstand Spule I.3 Kondensator Filter LC-Filter Dielektrische Filter Schaltungen zur Im ansformation Leistungsteiler und Hybride Hybride Hochfrequenz-Verstärker Integrierte Hochfrequenz-Verstärker Anpassung Rauschzahl...

16 XXIV Inhaltsverzeichnis 27.2 HF-Verstärker mit Einzeltransistoren Verallgemeinerter Einzeltransistor Arbeitspunkteinstellung Anpassung einstufiger Verstärker Anpassung mehrstufiger Verstärker Neutralisation Besondere Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung Rauschen Breitband-Verstärker Prinzip eines Breitband-Verstärkers Ausführung eines Breitband-Verstärkers Leistungsverstärkung Klemmenleistungsgewinn Einfügungsgewinn Ubertragungsgewinn Verfügbarer Leistungsgewinn Vergleich der Gewinn-Definitionen Gewinn bei beidseitiger Anpassung Maximaler Leistungsgewinn bei Transistoren Mischer Funktionsprinzip eines idealen Mischers Aufwärtsmischer Abwärtsmischer Funktionsprinzipen bei praktischen Mischern Additive Mischung Multiplikative Mischung Mischer mit Dioden Eintaktmischer Gegentaktmischer Ringmischer Praktische Diodenmischer Mischer mit Transistoren Gegentaktmischer Doppel-Gegentaktmischer (Gilbert-Mischer) Anhang PSpice-Kurzanleitung Grundsätzliches Programme und Dateien Ein einfaches Beispiel Weitere Simulationsbeispiele I. 5 Einbinden weiterer Bibliotheken Einige typische Fehler

17 Inhaltsverzeichnis XXV 29.2 DesignExpert-Kurzanleitung... I Ubersicht Schaltungseingabe Pinzuweisung... I Simulation Optimierung Programmierung Ausblick Passive RC- und LRC-Netzwerke Der Tiefpass Kompensierter Passiver RC-Bandpass Doppel-T-Filter Typen der 7400-Logik 29.6 Normwert-Reihen Literaturverzeichnis 1591 Sachverzeichnis 1599