Halbleiter- Schaltungstechnik

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1 U. Tietze. Ch. Schenk Halbleiter- Schaltungstechnik 12. Auflage Unter Mitarbeit von E. Gamm Mit 1771 Abbildungen und CD-ROM j Springer

2 Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1 1. Diode Verhalten einer Diode Kennlinie Beschreibung durch Gleichungen Schaltverhalten Kleinsignalverhalten Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten 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 Brückengleichrichter Mischer Bipolartransistor Verhalten eines Bipolartransistors Kennlinien Beschreibung durch Gleichungen Verlauf der Stromverstärkung Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter Aufbau eines Bipolartransistors Einzeltransistoren Integrierte Transistoren 58

3 XII 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 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 316 ' Differenzverstärker 330 "' Impedanzwandler 389 '"^ Schaltungen zur Arbeitspunkteinstellung 400 r^ 4.2 Eigenschaften und Kenngrößen 414 ^ Kennlinien 414 HZ-; Kleinsignal-Kenngrößen 417

4 Inhaltsverzeichnis XIII Nichtlineare Kenngrößen Rauschen Operationsverstärker Übersicht Operationsverstärker-Typen Prinzip der Gegenkopplung Der normale Operationsverstärker (VV-OPV) 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) 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 609

5 XTV 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 Vorzeichen Festkomma-Dualzahlen Gleitkomma-Dualzahlen Multiplexer aus-n-Decoder Demultiplexer Multiplexer Prioritäts-Decoder Schiebelogik (Barrel Shifter) Komparatoren Addierer Halbaddierer Volladdierer Parallele Übertragslogik Subtraktion Zweierkomplement-Überlauf Addition und Subtraktion von Gleitkomma-Zahlen 670

6 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 8421-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) 733

7 XVI Inhaltsverzeichnis 10.4 Programmierbare logische Bauelemente (PLD) Programmable Array Logic (PAL) Computer-gestützter PLD-Entwurf Typenübersicht Anwender-programmierbare Gate-Arrays 746 Teil II. 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 logarithmierenden Funktionsgeneratoren Steilheits-Multiplizierer Multiplizierer mit elektrisch isolierten Kopplern Abgleich von Multiplizierern Erweiterung von Ein- und Zweiquadrantenmultiplizierern zu Vierquadrantenmultiplizierern Multiplizierer als Dividierer und Radizierer Koordinatentransformation Transformation von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten Transformation von kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten 791

8 Inhaltsverzeichnis XVII 12. Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter Spannungsgesteuerte Spannungsquellen Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen Stromquellen für erdfreie Verbraucher Stromquellen für geerdete Verbraucher Transistor-Präzisionsstromquellen Schwimmende Stromquellen Stromgesteuerte Stromquellen Der NIC (Negative Impedance Converter) Der Gyrator Der Zirkulator Aktive Filter Theoretische Grundlagen von Tiefpassfiltern Butterworth-Tiefpässe 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 Mehrfachgegenkopplung Filter mit Einfachmitkopplung Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern höherer Ordnung Tiefpass-Bandpass-Transformation Bandpassfilter 2. Ordnung Bandpassfilter 4. Ordnung Realisierung von Bandpassfiltern 2. Ordnung LRC-Filter Bandpass mit Mehrfachgegenkopplung Bandpass mit Einfachmitkopplung Tiefpass-Bandsperren-Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung LRC-Sperrfilter Aktive Doppel-T-Bandsperre Aktive Wien-Robinson-Bandsperre Allpässe Grundlagen Realisierung von Allpässen 1. Ordnung Realisierung von Allpässen 2. Ordnung Einstellbare Universalfilter 860

9 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 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 916

10 Inhaltsverzeichnis XIX 16. Stromversorgung Eigenschaften von Netztransformatoren Netzgleichrichter Einweggleichrichter Brückengleichrichter Mittelpunkt-Schaltung Lineare Spannungsregler Einfachste Ausführung Spannungsregler mit fester Ausgangsspannung Spannungsregler mit einstellbarer Ausgangsspannung Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust Spannungsregler für negative Spannungen Symmetrische Aufteilung einer erdfreien Spannung 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 Schaltregler Eintakt-Wandler Gegentakt-Wandler 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 974

11 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 Praktische Gesichtspunkte Digitale Übertragungsfunktion Beschreibung im Zeitbereich Beschreibung im Frequenzbereich Grundstrukturen Berechnung von FIR-Filtern Grundgleichungen Einfache Beispiele Berechnung der Filterkoeffizienten 1036

12 Inhaltsverzeichnis XXI 19.5 Realisierung von FIR-Filtern Parallele Realisierung von FIR-Filtern Serielle Realisierung von FIR-Filtern Berechnung von IIR-Filtern Berechnung der Filterkoeffizienten IIR-Filter in Kaskadenstruktur Realisierung von IIR-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 Strommessung auf hohem Potential Messgleichrichter (AC/DC-Converter) Messung des Betragsmittelwertes Messung des Effektivwertes Messung des Scheitelwertes Synchrongleichrichter Sensorik Temperaturmessung Metalle als Kaltleiter Kaltleiter auf Siliziumbasis, PTC Heißleiter, NTC Betrieb von Widerstandstemperaturfühlern Transistor als Temperatursensor Das Thermoelement Typenübersicht Druckmessung Aufbau von Drucksensoren Betrieb temperaturkompensierter Drucksensoren Temperaturkompensation von Drucksensoren Handelsübliche Drucksensoren Feuchtemessung Feuchtesensoren Betriebsschaltungen für kapazitive Feuchtesensoren 1127

13 XXII Inhaltsverzeichnis 21.4 Übertragung von Sensorsignalen Galvanisch gekoppelte Signalübertragung Galvanisch getrennte Signalübertragung Kalibrierung von Sensorsignalen Kalibrierung des Analogsignals 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 A.4 Phasendetektor mit beliebig erweiterbarem Messbereich PLL als Frequenzvervielfacher Optoelektronische Bauelemente Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Phototransistor Leuchtdioden Optokoppler Optische Anzeige Binär-Anzeige Analog-Anzeige Numerische Anzeige Multiplex Anzeige Alpha-Numerische Anzeige 1182 Teil III. Schaltungen der Nachrichtentechnik Grundlagen Nachrichtentechnische Systeme Übertragungskanäle Leitung Drahtlose Verbindung Faseroptische Verbindung Vergleich der Übertragungskanäle 1213

14 Inhaltsverzeichnis XXIII 24.3 Reflexionsfaktor und S-Parameter Wellengrößen Reflexionsfaktor Wellenquelle S-Parameter Modulationsverfahren Amplitudenmodulation Frequenzmodulation Digitale Modulationsverfahren Mehrfachnutzung und Gruppierung Multiplex-Verfahren Duplex- Verfahren Sender und Empfänger Sender Sender mit analoger Modulation Sender mit digitaler Modulation Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen Empfänger Geradeausempfänger Überlagerungsempfänger Verstärkungsregelung ,2.4 Dynamikbereich eines Empfängers Empfänger für digitale Modulationsverfahren Passive Komponenten Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder Widerstand Spule Kondensator Filter LC-Filter Dielektrische Filter SAW-Filter Schaltungen zur Impedanztransformation Anpassung Ankopplung Leistungsteiler und Hybride Leistungsteiler Hybride Hochfrequenz-Verstärker Integrierte Hochfrequenz-Verstärker Anpassung Rauschzahl 1367

15 XXIV Inhaltsverzeichnis 21.2 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 Übertragungsgewinn Verfügbarer Leistungsgewinn Vergleich der Gewinn-Definitionen Gewinn bei beidseitiger Anpassung A.1 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 AA Weitere Simulationsbeispiele Einbinden weiterer Bibliotheken Einige typische Fehler 1502

16 Inhaltsverzeichnis XXV 29.2 DesignExpert-Kurzanleitung Übersicht Schaltungseingabe Pinzuweisung Simulation Optimierung Programmierung Ausblick Passive RC- und LRC-Netzwerke Der Tiefpass Der Hochpass Kompensierter Spannungsteiler Passiver RC-Bandpass Wien-Robinson-Brücke Doppel-T-Filter Schwingkreis Erklärung der verwendeten Größen Typen der 7400-Logik-Familien Normwert-Reihen Farbcode Hersteller und Distributoren 1571 Literaturverzeichnis 1591 Sachverzeichnis 1599