Halbleiter-Schaltungstechnik

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2 U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Neunte, neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 1166 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1989

3 Dr.-Ing. Ulrich Tietze Wissenschaftlicher Mitarbetter am Lehrstuhl ftir TechmM.:he Elektronik der Universitiit Erlangen-Ntirnberg Cauerstr. 9, 8520 Erlangen Dr.-Ing. Christoph Schenk Geschiiftsfiihrender Gesellschafter der Dr. Schenk GmbH, lndustriemesstechnik, Bunsenstr. 4 a, 8033 Martinsried/M iinchen Obersetzt in folgende Sprachen: Polnisch: Naukowo-Techniczne, Warschau 1976,1987 Ungarisch: Miiszaki, Budapest 1974, 1981 Russisch: Mir, Moskau 1982 Spanisch: Marcombo, Barcelona 1983 Chinesisch: 1985 ISBN CJP-Tttelaufnahme der Deutschen B1bhothck Tzet;;e, U/r~ch Halblelter-Schaltungstcchmk IV. TICtze: Ch. Schenk.- 9. ncu bearb. u. crw. Auf!. ISBN ISBN (ebook) DOI / NE Schenk. Chri toph: D1eses Werk ist urheberrechthch geschutzt. D1e dadurch begrundeten Recht e. m bc onderc d1e der Ubcr.etlUng. de Nachdrucks. des Vortrag. der Entnahme von Abb1ldungen und Tabellen. dcr Funk cndung. der M krovcrfilmung oder der VervJelf3ltigung auf anderen Wegen und der Spc1cherung m Datenverarbenung,anlagen. bleiben. auch bel nur auszugswei~er Verwertung. vorbehalten. Eine Verv1clfaltlgung dic!\e' Wcrkc~ odcr von Tellen d1e!.es Werkes i~t auch 1m Emzelfall nur m den Grenzen der gc~tzhchcn Bc~t mmungen de' Urhebcrrcch"gesetze< der Bunde>repubhk Deutschland vom 9. September 1965 m dcr Fa'"'"!!. vom 24. Jum 19X5 zula,. Slg. S1e ist grundsatzhch vcrgutung pfhcht1g. Zuw1derhandlungen unterhegen den Suatbcst mmungen de, Urheberrechtsge etze. Springer-Verlag Berlin He1delberg 1969, , 1976,1978, 1980, and 1989 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin He1delberg New York 1989 Softcover reprint of the hardcover 9th edition 1989 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamcn. Handelsnamen, Warenbeze1chnungen usw. m dicsem Wcrk berecht1gt auch ohne besondere Kennzeichnung mcht zu der Annahme. dab solche Namen im Smne der Warenze1chen- und Markenschutz.Qesetzgebung als fre1 zu betrachten warcn und daher von Jedcrmann benutzt werden durften Sollie in d1esem Werk direkt oder md1rekt auf Gesetze, Vorschriften oder R1chthmen (z B DIN, VOl, VDE) Bezug genommen oder aus 1hnen ziuert worden sem. so kann der Verlag keine Gewahr fur R chugkell, Vollstand gkelt oder Aktualitat tibernehmen. Es cmpfiehlt sich. gcgebenenfalls ffir die eigenen Arbeiten d1e vollstand gen Vorschnften oder Richthnien m der Jeweils giiltigen Fassung hmzuzuz1ehen W1r tibemchmen auch kente Gewihr, dab d1e m dtesem Buch enthaltcnen Angaben fre1 von Patentrechten smd, durch diese Verdft'entbchung w1rd weder stillschwe1gend noch sonstw1e cine L1zenz aur etwa bestehendc Patente gewahrt Satz H Stiirtz AG. Wiirzburg, und H. Hagedorn GmbH & Co, Berlm 2362/ Gedruckt auf saurefre1em Pap1er

4 Vorwort zur oeuoteo Auflage Wir freuen uns, dab der rasche Verkauf der achten Auflage uns die Moglichkeit gibt, das Buch in verbesserter Form neu herauszugeben. Die starke Verbreitung der Sensoren in den letzten Jahren hat uns veranlabt, ihren Einsatz in einem neuen Kapitel Sensorik zu behandeln. Dabei haben wir uns bemiiht, nicht nur die spezifischen Eigenheiten einiger Sensoren darzustellen, sondern allgemeine Gesichtspunkte fur die Betriebsschaltungen hinsichtlich Eichung, Linearisierung, Digitalisierung und storsicherer Ubertragung herauszuarbeiten. Eine wesentliche Uberarbeitung hat das Kapitel Digitalfilter erfahreno Hier haben wir die immer wichtiger werdenden FIR-Filter aufgenommen, deren Realisierung durch eine Palette an hochintegrierten Bausteinen immer anwenderfreundlicher wird. 1m Kapitel Halbleiterspeicher wurde der Abschnitt iiber programmierbare Logik-Schaltungen (PLDs) wesentlich erweitert. Dadurch soli der stiirmischen Entwicklung auf dem Gebiet der anwenderspezifischen Schaltungen (ASICs) Rechnung getragen werden. Wir wollen hier den Leser dazu anregen, ein ganzes "TTL-Grab" durch ein einziges PLD zu ersetzen, und gleichzeitig zeigen, dab der Entwurf dabei sogar schneller gehen kann, wenn man die entsprechenden Entwurfsprogramme einsetzt. Eine Reihe weiterer niitzlicher Erweiterungen, wie z. B. die SC Filter und die Transimpedanz- Verstiirker sind im Inhaltsverzeichnis mit einem * gekennzeichnet. Natiirlich haben wir auch bei dieser Auflage alle Tabellen auf den neuesten Stand gebracht und damit sichergestellt, dab das Buch auch seine Funktion als Nachschlagewerk weiterhin uneingeschrankt erfullen kann. Die Aufnahme einiger Werbeseiten am SchluB des Buches soli einerseits den Leser mit namhaften Lieferanten fur elektronische Bauelemente vertraut machen und andererseits helfen, den Preis des Buches trotz des gestiegenen Umfangs konstant zu halten. Wie wir wissen, gibt es eine Vielzahl von ausliindischen Interessenten an unserem Buch. Sie werden auf die mannigfaltigen Obersetzungen hingewiesen, die auf der Impressum-Seite aufgefiihrt sind. Da praktisch alle, 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 eine vollstandige

5 VI Vorwort zur neunten Auflage Obersetzung der 9. Auflage, die unter dem Titel Electronic Circuit Design im 1. Quartal1989 beim Springer-Verlag erscheint. Herrn Rolf Kapust danken wir fur die DurchfUhrung der rechenintensiven FIR-Filter-Dimensionierung und die Mitarbeit bei den SC Filtern. Fiir die zahlreichen Hinweise aus dem Leser- und Kollegenkreis sind wir sehr dank bar. Wir werden uns bemiihen, mit Hilfe dieser bewiihrten Riickkopplung eine stetige Weiterverbesserung unseres Buches zu erreichen. Erlangen und M iinchen, im Oktober 1988 U. Tietze Ch. Schenk

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

7 VIII Inhaltsverzeichnis 5.4 Grundschaltungen Fet als Konstantstromquelle F et -Differenzverstarker Fet als steuerbarer Widerstand 99 6 Optoelektronische Bauelemente Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Phototransistor 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 KippschaItungen mit emittergekoppeiten Transistoren Kippschaltungen mit Gattern Kippschaltungen mit Komparatoren Logische Grundschaltungen Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Abgeleitete Grundfunktionen SchaItungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Verbindungsleitungen Kombinatorische Logik (Schaltnetze) Abhangigkeitsnotation. 229

8 Inhaltsverzeichnis IX 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 nichtiineare Analogrechenschaltungen Addierer Subtrahierer Bipolares Koeffizientenglied Integratoren Differentiatoren Losung von Differentialgleichungen 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

9 X lnhaltsverzeichnis 14.3 Realisierung von Tief- und Hochpal3filtern 1. Ordnung Realisierung von Tief- und Hochpal3filtern 2.0rdnung Realisierung von Tief- und Hochpal3filtern h6herer Ordnung Tiefpal3-Bandpal3-Transformation Realisierung von Bandpal3filtern 2. Ordnung Tiefpal3-Bandsperren -Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung Allpiisse Einstellbare Universalfilter Switched-Capacitor-Filter* Signalgeneratoren L C-Oszillatoren Quarzoszillatoren Wien-Briicken-Oszillatoren Analogrechner-Oszillatoren Funktionsgeneratoren Breitbandverstarker Frequenzabhiingigkeit der Stromverstiirkung Einflul3 von Transistoren und Schaltkapazitiiten Kaskodeschaltung Differenzverstiirker als Breitbandverstiirker Symmetrische Breitbandverstiirker Breitband-Spannungsfolger Breitband-Operationsverstarker Transimpedanz-Verstiirker* Breitband-Verbundverstiirker Leistungsverstarker Emitterfolger als Leistungsverstiirker Komplementiire Emitterfolger Komplementiire Darlington-Schaltungen Komplementiire Sourcefolger Elektronische Strombegrenzung Vier-Quadranten-Betrieb Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstiirkung. 530

10 I nhal tsverzeichnis XI Erhohung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstarker Stromversorgung Eigenschaften von Netztransformatoren 18.2 N etzgleichrichter 18.3 Lineare Spannungsregler Erzeugung der Referenzspannung 18.5 Schaltnetzgerate 18.6 Sekundargetaktete Schaltregler 18.7 Primargetaktete Schaltregler Digitale Rechenschaltungen 19.1 Zahlendarstellung Code-U msetzer Schiebelogik (Barrel Shifter) 19.4 Komparatoren 19.5 Addierer Multiplizierer Digitale Funktionsnetzwerke Mikrocomputer-Grundlagen Grundstruktur eines Mikrocomputers 20.2 Arbeitsweise eines Mikroprozessors 20.3 Befehls-Satz 20.4 Entwicklungshilfen 20.5 Typenubersicht Minimal-Systeme. Modularer Aufbau von Mikrocomputern 21.1 Mikroprozessor-Pia tine 21.2 Speicher-Platine 21.3 Programmierung von EPROMs Parallele Schnittstelle 21.5 Serielle Schnittstelle IEC-Bus-Schnittstelle 21.7 Programmierbarer Zahler 21.8 Interrupt-Controller Direkter Speicherzugriff (DMA) Arithmetik-Prozessor Datenausgabe auf Anzeigeeinheiten

11 XII Inhaltsverzeichnis Video-Ausgabe Analog-Ein-/ Ausgabe Spezielle Peripherieschaltungen Aoalogschalter uod Abtast-Halte-Glieder Anordnung der Schalter Elektronische Schalter Analogschalter mit Verstiirkern Abtast -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 AusfUhrung von AD-Umsetzern Digitale Filter* Abtasttheorem Digitale Ubertragungsfunktion 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 (ACjDC-Converter) Seosorik* Temperaturmessung Druckmessung Feuchtemessung 920

12 Inhaltsverzeichnis 26.4 Obertragung 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 del' 7400-Logik-Familien* 28.3 Normwert-Reihen Farbcode Literatur Verzeichnis der Tabellen fiber integrierte Schaltungen. Sachverzeichnis XIII * neu bzw. neu bearbeitet

Inhaltsverzeichnis. Teil I. Grundlagen

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