Halbleiter-Schaltungstechnik

Transkript

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2 U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Zehnte Auflage Mit 1166 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

3 Dr.-Ing. Ulrich Tietze Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fiir Technische Elektronik der Universităt Erlangen-Niirnberg Cauerstr. 9, Erlangen Dr.-Ing. Christoph Schenk Geschăftsfiihrender Gesellschafter der Dr. Schenk GmbH, Industriemesstechnik, Einsteinstr. 37, Martinsried/Miinchen Ubersetzt in fojgende Sprachen: PoJnisch: Naukowo-Techniczne, Warschau 1976, 1987 Ungarisch: Miiszaki, Budapest 1974, 1981, 1990 Russisch: Mir, Moskau 1982 Spanisch: Marcombo, BarceJona 1983 Chinesisch: 1985 Englisch (Kurzfassung): Springer, Berlin, Heidelberg, New York 1978 Englisch (voilstăndige Fassung): Springer, Berlin, Heidelberg New York 1991 ISBN Die Dcutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Tielze, Ulrich: Halbleiter-SchaltungstechniklU. Tietze; Ch. Schenk Aufl. ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Schenk, Christoph: Dicses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begrtincteten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmuog oder der Vcrvielfăltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenvcrarbeitungsanlagcn, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfăltigung dieses Werkcs oder von Teilen dieses Wcrkcs ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zu Iăssig. Sie ist grundsatzlich vergtitungspflichtig. Zuwiderhandlungcn unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrcchtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969, 1971, 1974, 1976, 1978, 1980, 1983, , 1989, 1990, 1991 and 1993 Ursprunglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1993 Softcover reprint of the hardcover t Oth edition 1993 Die Wiedergabe van Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ahne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher van jedcrmann benutzt werden dtirften. Sollte in diesern Werk direkt oder indirckt auf Gesetze, Vorschriftcn oder RichtJinien (z. B. DIN, VDl, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, sa kann der Verlag keine Gewahr fiir Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualităt tibernehmen. Es empfiehlt sich, gegcbenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstăndigcn Vorschriften oder Richtlinien in der jcweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Wir libernehmen auch keine Gewahr, dab die in diesem Buch enthaltenen Angaben frei van Patentrechten sind; durch diese Verbffentlichung wird weder stillschweigend noch sonstwie eine Lizenz auf etwa bestehende Patente gewăhrt. Satz: Universitatsdruckerei H. Stiirtz AG, Wtirzburg 62/ Gedruck! auf saurefreiem Papier

4 Vorwort zur zehnten Auflage Das V ordringen der Elektronik in immer weitere Gebiete von Wissenschaft und Technik ist unaufhaltsam. Sie beschrankt sich schon lange nicht mehr auf Nachrichtentechnik und Datenverarbeitung al1ein, sondern ist iiberall dort, wo es etwas zu messen oder zu regeln gilt, unentbehrlich geworden. Dabei geht der Trend dahin, aufwendige und unflexible mechanische Losungen durch eine Kombination von Sensoren, Aktoren und einem elektronischen Steuergerat zu ersetzen. Durch simple Anderungen des Steuerprogramms ist eine solche Anordnung ohne Anderung der Hardware an die verschiedensten Aufgabenstellungen anzupassen. Auf diesem Prinzip beruht ein grober Teil der in der jiingsten Vergangenheit erzie1ten Fortschritte im Bereich des Maschinenbaus und der Feinwerktechnik. Diese Entwicklung bringt es mit sich, dab ein immer grober werdender Kreis von Wissenschaftlern und Technikern sich zwangslaufig mit dem Gebiet der Elektronik befassen mub. An dieser Stelle soll das vorliegende Buch helfen. Es wurde so konzipiert, dab Naturwissenschaftler und Studierende der Hoch- und Fachschulen eine Einfiihrung in die Halbleiterschaltungstechnik finden. Dariiberhinaus soll es jedoch allen interessierten Technikern die Moglichkeit bieten, sich auch in Teilbereiche schnell und sicher einarbeiten zu konnen. Zu diesem Zweck wurde das Buch in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil hat einfiihrenden Charakter und entspricht in seinem Umfang einem 2-semestrigen Einfiihrungskurs in die Schaltungstechnik. Dabei gehen wir von der Beschreibung des elektrischen Verhaltens der Baue1emente aus und verzichten bewubt auf die Darstellung der Halbleiterphysik. AuBerdem vernachlassigen wir grundsatzlich alle untergeordneten EfTekte, urn die wesentlichen Funktionsprinzipien herauszuarbeiten. Fiir den kreativen Schaltungsentwurf ist die Kenntnis dieser Grundprinzipien sehr viel wichtiger als die Aufstellung sehr genauer mathematischer Modelle. Zur exakten Schaltungsanalyse konnen dann Simulationsprogramme wie SPICE niitzlich sein, die so manchen Schaltungsaufbau iiberfliissig machen. Angesichts der groben Fertigungstoleranzen von Halbleiterbauelementen ist es jedoch besonders wichtig, Schaltungen zu entwickeln, die von vornherein unempfindlich gegen Streuungen der Bauelemente-Parameter sind. Hierauf wurde bei der Konzeption des vorliegenden Buches besonderer Wert gelegt.

5 VI Vorwort zur zehnten Auflage Die Entwiekung digitaler Schaltungen besteht schon Hingst nicht mehr darin, verschiedene Bausteine der 7400-Familie zusammenzuloten. Heutzutage lassen sich viele Bausteine durch ein einziges PLD (Programmable Logic Device) ersetzen, das man fur die spezielle Aufgabe programmiert. Diese V orgehensweise ist so popular geworden weil die Entwurfssoftware fur billige PCs erhaltlich ist und die Programmierung in Minuten erfolgt. Natiirlich entwirft man dabei Funktionseinheiten wie Multiplexer, Zahler und Schieberegister nieht zu FuB, sondern entnimmt sie der im Computer gespeicherten Bibliothek. Aus diesem Grund ist es nach wie vor zweckmabig in Funktionseinheiten zu denken. Der grobe Vorteil ist, dab man aueh hier manchen Prototyp einsparen kann, da die Entwurfsprogramme meist aueh eine Sehaltungssimulation ermoglichen. Der zweite Teil des Buehes wurde naeh anwendungsorienierten Gesichtspunkten gegliedert, aile Kapitel wurden so geschrieben, dab sie fiir sich alleine mit einem Minimum an Querverweisen gelesen werden konnen. Jedes Kapitel gibt einen kritischen und detaillierten Uberbliek iiber die versehiedenen Losungsmoglichkeiten fur eine gegebene Aufgabenstellung. Um den Leser in die Lage zu versetzen, mogliehst schnell von der Idee zu der funktionierenden Schaltung zu gelangen, haben wir nur solche Losungen vorgestellt, die in der Praxis erprobt sind. In vielen Fallen haben wir zusatzlieh vollshindig dimensionierte Beispiele angegeben. Sie sollen den Leser ermutigen, selbst mogliehst ohne Umschweife zur Realisierung zu schreiten. Die Verifikation und Variation dieser Beispiele vermittelt rasch die notige Sicherheit. Um dem Leser das frustrierende Erlebnis zu ersparen, dab trotz korrekten Sehaltungsaufbaus das gewiinschte Ergebnis nieht erzielt wird, haben wir alle dimensionierten Beispiele in unserem Labor selbst erprobt. Die Vielzahl positiver Riiekmeldungen hat uns gezeigt, dab sieh diese Miihe gelohnt hat. Verfolgt man die Veroffentliehungen auf dem Gebiet der Elektronik, so gewinnt man den Eindruek, dab die Analog-Schaltungsteehnik stark zugunsten digitaler Losungen in den Hintergrund gedrangt wird. Wir haben uns bemiiht, beide Bereiche gleiehberechtigt darzustellen. Man darf nieht iibersehen, dab unsere Welt von Hause aus analog aufgebaut ist. Deshalb ist zur Bearbeitung jeder realen Aufgabenstellung zumindest ein geeignetes Interface erforderlich, bei des sen Implementierung nach wie vor solide Kenntnisse der Analog-Sehaltungsteehnik erforderlieh sind. Es darf aueh nieht iibersehen werden, dab Digitalsignale letztendlich in Form realer Impulse iibertragen werden miissen und dabei oft ein reges Eigenleben entwiekeln, ohne dessen Beherrschung komplexe Digitalschaltungen nicht funktionieren konnen. Viele DigitalschaItungen entpuppen sich bei genauerem Hinsehen als wahre Zufallsgeneratoren, bedingt durch Laufzeiteffekte oder Impulsvervielfaehung

6 Vorwort zur zehnten Auflage VII durch Reflexionen. Aus den genannten Grunden haben wir uns bemuht, diese Aspekte in den einzelnen Kapiteln gebuhrend zu berucksichtigen. Aufgrund der Tatsache, dab fur viele Standardaufgaben zum Teil hochkomplexe integrierte Schaltungen zur VerfUgung stehen, reduziert sich die Schaltungsentwicklung hiiufig darauf, wenige geeignete Bausteine zu kombinieren. Hierzu ist es erforderlich, die umfangreichen Datenbucher der verschiedensten Hersteller zu studieren. Urn dem Leser den Einstieg zu erleichtern, haben wir deshalb in den einzelnen Kapiteln Beispiele fur die aktuellen Bausteine in Tabellen zusammengesteilt. Sie werden regelmiibig uberarbeitet und sind auch in der vorliegenden 10. Auflage wieder auf den neusten Stand gebracht worden. Selbstverstiindlich kann es sich hierbei urn keine voilstiindige Ubersicht handeln. Sie soli dem Leser jedoch verdeutlichen, welche Daten beachtet werden mussen und welche HersteIler auf den verschiedenen Gebieten aktiv sind. Aus diesem Grund ist im Anhang ein Verzeichnis von HersteIlern und Distributoren aufgenommen. Aus der digitalen Schaltungswelt ist der Mikro-Computer heute nicht mehr wegzudenken. Hieruber gibt es eine fast nicht mehr uberschaub are Flut von Spezialliteratur, so dab der Neuling auf dies em Gebiet Schwierigkeiten hat, den richtigen Einstieg zu finden. Urn hier Hilfestellung zu leisten, haben wir uns im vorliegenden Buch auf die Beschreibung des, zugegebenermaben bereits betagten, Mikroprozessors 6800 beschriinkt. Er enthiilt aile grundlegenden Funktionen und ist aufgrund seiner einfachen Struktur fur das einfuhrende Studium besonders geeignet. Aufgrund der verhiiltnismiibig kleinen Zahl von Anschlussen ist er auberdem fur erste Gehversuche bei der Hardware Realisierung empfehlenswert. Auf dieser soliden Basis ist die Erweiterung der Kenntnisse auf neuere komplexe Typen mit 16 oder 32 Bit Datenbus nicht mehr besonders schwierig. Die jeweilige Typenubersicht enthiilt selbstverstiindlich auch die neuesten hochkomplexen Bausteine einschlieblich der Single-Chip Mikrocomputer. Wie wir wissen, gibt es eine Vielzahl von ausliindischen Interessenten an unserem Buch. Sie werden auf die mannigfaltigen Ubersetzungen hingewiesen, die auf der Impressum-Seite aufgefuhrt sind. Da praktisch aile, die mit Elektronik zu tun haben, Englisch verstehen, mochten wir in diesem Zusammenhang besonders auf die neue englische Ausgabe hinweisen. Es handelt sich dabei urn die voilstiindige Ubersetzung der neunten Auflage, die unter dem Titel Electronic Circuits, Design and Applications, 1991 beim Springer-Verlag erschienen ist. Fur die zahlreichen Hinweise aus dem Leser- und KoIlegenkreis sind wir sehr dankbar. Wir werden uns bemuhen, mit Hilfe dieser bewahrten Ruckkopplung eine stetige Weiterverbesserung unseres Buches zu erreichen. Erlangen und Munchen, im Januar 1993 U. Tietze Ch. Schenk

7 Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1 ErkHirung der verwendeten GroBen 1 2 Passive RC- und LRC-Netzwerke Der TiefpaB Der HochpaB Kompensierter Spannungsteiler Passiver R C-BandpaB Wien-Robinson-Briicke Doppel-T-Filter Schwingkreis Dioden Kennlinien und charakteristische Daten Z-Dioden KapaziHitsdioden Bipolartransistoren Kennlinien und Kleinsignalparameter Grenzdaten Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung, Emitterfolger Transistor als Konstantstromquelle Darlington-Schaltung Differenzverstarker Messung einiger Transistorparameter Das Transistor-Rauschen Feldeffekttransistoren Klassifikation Kennlinien und Kleinsignalparameter Grenzdaten 88

8 Inhaltsverzeichnis IX 5.4 Grundschaltungen Fet als Konstantstromquelle F et -DifferenzversHirker Fet als steuerbarer Widerstand 99 6 Optoelektronische Bauelemente Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Photo transistor Leuchtdioden Optokoppler Optische Anzeige Operationsverstarker Eigenschaften eines Operationsverstarkers Prinzip der Gegenkopplung Nicht-invertierender Verstarker Invertierender Verstarker Innerer Aufbau von Operationsverstarkern Integrierte Standard-Operationsverstarker Frequenzgang-Korrektur Messung von Operationsverstarker-Daten Typeniibersicht Kippschaltungen Der Transistor als digitales Bauelement Kippschaltungen mit gesattigten Transistoren Kippschaltungen mit emittergekoppe1ten Transistoren Kippschaltungen mit Gattern Kippschaltungen mit Komparatoren Logische Grundschaltungen Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Verbindungsleitungen Kombinatorische Logik (Schaltnetze) Abhangigkeitsnotation. 229

9 X Inhaltsverzeichnis 10 Schaltwerke (Sequentielle Logik) Integrierte Flip-Flops Dualzahler BCD-Zahler im 8421-Code Vorwahlzahler Schieberegister Aufbereitung asynchroner Signale Systematischer Entwurf von Schaltwerken Halbleiterspeicher Schreib-Lese-Speicher (RAM) RAM -Erweiterungen Festwertspeicher (ROM) Programmierbare logische Bauelemente (PLD) 302 Teil II. Anwendungen 12 Lineare und nichtlineare Analogrechenschaltungen Addierer Subtrahierer Bipolares Koeffizientenglied Integratoren DifTerentiatoren L6sung von DifTerentialgleichungen Funktionsnetzwerke Analog-M ultiplizierer Koordinatentransformation Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter Spannungsgesteuerte Spannungsquellen Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen Stromgesteuerte Stromquellen Der NIC (Negative Impedance Converter) Der Gyrator Der Zirkulator Aktive Filter Theoretische Grundlagen von TiefpaBfiltern TiefpaB-HochpaB-Transformation. 413

10 Inhaltsverzeichnis XI 14.3 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 1. Ordnung Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 2. Ordnung Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern h6herer Ordnung TiefpaB-BandpaB-Transformation Realisierung von BandpaBfiltern 2. Ordnung TiefpaB-Bandsperren-Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung Allpasse Einstellbare Universalfilter Switched-Capacitor-Filter Signalgeneratoren LC-Oszillatoren Quarzoszillatoren Wien-Briicken-Oszillatoren Analogrechner-Oszillatoren Funktionsgeneratoren Breitbandverstarker Frequenzabhangigkeit der Stromverstarkung EinfluB von Transistor- und Schaltkapazitaten Kaskodeschaltung Differenzverstarker als Breitbandverstarker Symmetrische Breitbandverstarker Breitband-Spannungsfolger Breitband-Operationsverstarker Transimpedanz-Verstarker Breitband-Verbundverstarker Leistungsverstarker Emitterfolger als Leistungsverstarker Komplementare Emitterfolger Komplementare Darlington-Schaltungen Komplementare Sourcefolger Elektronische Strombegrenzung Vier-Quadranten-Betrieb Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit SpannungsversHirkung. 530

11 XII Inhaltsverzeichnis 17.9 Erh6hung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstarker Stromversorgung Eigenschaften von Netztransformatoren Netzgleichrichter Lineare Spannungsregler Erzeugung der Referenzspannung Schaltnetzgerate Sekundargetaktete Schaltregler Primargetaktete Schaltregler Digitale Rechenschaltungen Zahlendarstellung Code-U msetzer Schiebelogik (Barrel Shifter) Komparatoren Addierer Multiplizierer Digitale Funktionsnetzwerke Mikrocomputer-Grundlagen Grundstruktur eines Mikrocomputers Arbeitsweise eines Mikroprozessors Befehls-Satz En twickl ungshilfen Typeniibersicht Minimal-Systeme Modularer Aufbau von Mikrocomputern Mikroprozessor-Platine Speicher-Platine Programmierung von EPROMs Parallele Schnittstelle Serielle Schnittstelle IEC-Bus-Schnittstelle Programmierbarer Zahler Interrupt-Controller Direkter Speicherzugriff (DMA) Arithmetik-Prozessor Datenausgabe auf Anzeigeeinheiten 712

12 Inhaltsverzeichnis XIII Video-Ausgabe Analog-Ein-/Ausgabe Spezielle Peripherieschaltungen Aoalogschalter uod Abtast-Halte-Glieder Anordnung der Schalter Elektronische Schalter Analogschalter mit Verstarkern A btast -Halte-Glieder DA- uod AD-Umsetzer Grundprinzipien der DA-Umsetzung DA-Umsetzer in CMOS-Trechnologie DA-Umsetzer in Bipolartechnologie DA-Umsetzer fur spezielle Anwendungen Genauigkeit von DA-Umsetzern Grundprinzipien der AD-Umsetzung Genauigkeit von AD-Umsetzern Ausfiihrung von AD-Umsetzern Digitale Filter Abtasttheorem Digitale Obertragungsfunktion Grundstrukturen Berechnung von FIR-Filtern Realisierung von FIR-Filtern Berechnung von IIR-Filtern Realisierung von IIR-Filtern Vergleich von FIR- und IIR-Filtern Me8schaltuogeo Spannungsmessung Strommessung MeBgleichrichter (AC/DC-Converter) Seosorik Temperaturmessung Druckmessung Feuchtemessung 920

13 XIV InhaItsverzeichnis 26.4 Ubertragung von Sensorsignalen 26.5 Eichung von Sensorsignalen 27 Elektronische RegIer 27.1 Grundlagen Regler-Typen Regelung nichtlinearer Strecken Nachlaufsynchronisation (PLL). 28 Anhang Halbleiter-Hersteller und Distributoren Typen der 7400-Logik-Familien Normwert-Reihen Farbcode Literatur Verzeichnis der Tabellen iiber integrierte Schaltungen. Sachverzeichnis