DIE HOHE SCHULE DER ELEKTRONIK

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Leopold Hertz
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1 DIE HOHE SCHULE DER ELEKTRONIK Teil 1: Analogtechnik Paul Horowitz Harvard University Winfield Hill Rowland Institute of Science, Cambridge, Massachusetts 2. Auflage Elektor-Verlag, Aachen

1 GRUNDLAGEN 15 EINFÜHRUNG 15 SPANNUNG, STROM UND WIDERSTAND 15 1.1 Spannung und Strom 15 1.2 Beziehung zwischen Spannung und Strom: Widerstände 18 1.3 Spannungsteiler 22 1.

2 1 GRUNDLAGEN 15 EINFÜHRUNG 15 SPANNUNG, STROM UND WIDERSTAND Spannung und Strom Beziehung zwischen Spannung und Strom: Widerstände Spannungsteiler Spannungs- und Stromquellen Theveninsche Ersatzschaltung Kleinsignalwiderstand 29 SIGNALE Sinusförmige Signale Signalamplituden und Dezibel Weitere Signale Logische Pegel Signalquellen 35 KONDENSATOREN UND WECHSELSTROMKREISE Kondensatoren RC-Schaltungen: U und I in bezug auf die Zeit Differenzierglieder Integrierglieder 43 SPULEN UND TRANSFORMATOREN Spulen Transformatoren 45 IMPEDANZ UND REAKTANZ Frequenzanalyse reaktiver Schaltungen RC-Filter Zeigerdiagramme Pole" und Dezibel pro Oktave Resonanzkreise und aktive Filter Weitere Kondensatoranwendungen Thevenin-Theorem verallgemeinert 62 DIODEN UND DIODENSCHALTUNGEN Dioden Gleichrichtung Filtern von Versorgungsspannungen Gleichrichterformen für Netzteile Regler Schaltungsanwendungen von Dioden 69 7

1.31 Induktive Belastung und Diodenschutz 72 WEITERE PASSIVE BAUTEILE 74 1.32 Elektromechanische Bauteile 74 1.33 Anzeigegeräte 77 1.

3 1.31 Induktive Belastung und Diodenschutz 72 WEITERE PASSIVE BAUTEILE Elektromechanische Bauteile Anzeigegeräte Variable Bauteile 78 ZUSÄTZLICHE ÜBUNGEN 79 2 TRANSISTOREN 83 EINLEITUNG Erstes Transistormodell: Stromverstärker 84 EINIGE GRUNDLEGENDE TRANSISTORSCHALTUNGEN Transistorschalter Emitterfolger Emitterfolger als Spannungsregler Vorspannung eines Emitterfolgers Transistorstromquelle Verstärker mit gemeinsamem Emitter Phasenspalter ohne Verstärkung Steilheit 102 EBERS-MOLL-MODELL, AUF TRANSISTORGRUNDSCHALTUNGEN ANGEWENDET Verbessertes Transistormodell: Transkonduktanzverstärker Noch einmal: der Emitterfolger Noch einmal: der Verstärker mit gemeinsamem Emitter Vorgespannter Verstärker mit gemeinsamem Emitter Stromspiegel 112 VERSTÄRKERZUSAMMENSCHALTUNGEN Gegentakt-Ausgangsstufen Darlington-Zusammenschaltung Bootstrapping Differenzverstärker Kapazität und der Miller-Effekt Feldeffekttransistoren 129 EINIGE TYPISCHE TRANSISTORSCHALTUNGEN Geregeltes Netzteil Temperaturregler Einfache Logikschaltung mit Transistoren und Dioden 131 UNMITTELBAR VERSTÄNDLICHE SCHALTUNGEN Schaltungsvorschläge Schlechte Schaltungen 133 ZUSÄTZLICHE ÜBUNGEN 134 8

3 FELDEFFEKTTRANSISTOREN 137 EINLEITUNG 137 3.1 FET-Eigenschaften 138 3.2 FET-Typen 141 MOSFET, JFET 141 3.3 Allgemeine FET-Eigenschaften 143 3.4 Drain-Eigenschaften beim FET 145 3.

4 3 FELDEFFEKTTRANSISTOREN 137 EINLEITUNG FET-Eigenschaften FET-Typen 141 MOSFET, JFET Allgemeine FET-Eigenschaften Drain-Eigenschaften beim FET Herstellungsbedingte Schwankungen der FET-Eigenschaften 147 FET-GRUNDSCHALTUNGEN JFET-Konstantstromquellen FET-Verstärker Sourcefolger FET-Gatestrom FETs als variable Widerstände 165 FET-SCHALTER Analogschalter mit FETs Beschränkungen der FET-Schalter Einige Beispiele für FET-Analogschalter MOSFET-Logik- und Leistungsschalter Vorsichtsmaßnahmen beim Umgang mit MOSFETs 200 UNMITTELBAR VERSTÄNDLICHE SCHALTUNGEN Schaltungsvorschläge Schlechte Schaltungen RÜCKKKOPPLUNG UND OPERATIONSVERSTÄRKER 205 EINLEITUNG Einführung in die Rückkopplung Operationsverstärker Die goldenen Regeln 207 GRUNDSÄTZLICHE OPERATIONSVERSTÄRKERSCHALTUNGEN Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Folger Stromquellen Grundsätzliche Vorsichtsmaßnahmen bei Operationsverstärkerschaltungen 213 EIN OPERATIONSVERSTÄRKER-SMÖRGÄSBORD Lineare Schaltungen Nichtlineare Schaltungen 218 EINE GENAUE BETRACHTUNG DES VERHALTENS VON OPERATIONSVERSTÄRKERN Abweichungen vom idealen Verhalten eines Operationsverstärkers Auswirkungen der Operationsverstärkerbegrenzungen auf das Schaltungsverhalten Kleinleistungs- und programmierbare Operationsverstärker 229

EINE GENAUERE BETRACHTUNG AUSGEWÄHLTER OPERATIONS VERSTÄRKERSCHALTUNGEN 245 4.14 Logarithmischer Verstärker 245 4.15 Aktiver Spitzendetektor 250 4.16 Abtasten und Halten 253 4.17 Aktive Klemme 255 4.

5 EINE GENAUERE BETRACHTUNG AUSGEWÄHLTER OPERATIONS VERSTÄRKERSCHALTUNGEN Logarithmischer Verstärker Aktiver Spitzendetektor Abtasten und Halten Aktive Klemme Absolutwertschaltung Integratoren Differentiatoren 259 OPERATIONSVERSTÄRKERBETRIEB MIT EINFACHER STROMVERSORGUNG Vorspannung eines Wechselstromverstärkers mit einfacher Stromversorgung Operationsverstärker mit einfacher Stromversorgung 260 KOMPARATOREN UND SCHMITT-TRIGGER Komparatoren Schmitt-Trigger 267 RÜCKKOPPLUNG MIT VERSTÄRKERN MIT BEGRENZTER VERSTÄRKUNG Verstärkungsgleichung Wirkungen von Rückkopplung bei Verstärkerschaltungen Zwei Beispiele für Transistorverstärker mit Rückkopplung 273 EINIGE TYPISCHE OPERATIONSVERSTÄRKERSCHALTUNGEN Universal-Laborverstärker Spannungsgesteuerter Oszillator JFET-Linearschalter mit R E j N -Kompensation TTL-Nulldurchgangsdetektor Schaltung zur Abtastung des Belastungsstroms 279 FREQUENZKOMPENSATION BEIM RÜCKKOPPLUNGSVERSTÄRKER Verstärkung und Phasenverschiebung in Abhängigkeit von der Frequenz Methoden der Verstärkerkompensation Frequenzgang des Rückkopplungsnetzwerks 285 UNMITTELBAR VERSTÄNDLICHE SCHALTUNGEN Schaltungsvorschläge Schlechte Schaltungen 289 ZUSÄTZLICHE ÜBUNGEN AKTIVE FILTER UND OSZILLATOREN 301 AKTIVE FILTER Frequenzgang bei RC-Filtern Ideales Verhalten mit LC-Filtern Einstieg in aktive Filter: ein Überblick Grundsätzliche Kriterien für Filterverhalten Filtertypen

AKTIVE FILTERSCHALTUNGEN 311 5.6 VCVS-Schaltungen 313 5.7 Entwurf von VCVS-Filtern mit Hilfe unserer Tabelle 313 5.8 Zustandsvariable Filter 315 5.9 Doppel-T-Lochfilter 319 5.

6 AKTIVE FILTERSCHALTUNGEN VCVS-Schaltungen Entwurf von VCVS-Filtern mit Hilfe unserer Tabelle Zustandsvariable Filter Doppel-T-Lochfilter Gyratorfilterausführungen Schaltkondensatorfilter 321 OSZILLATOREN Grundsätzliches über Oszillatoren Kippschwingungsoszillatoren Der klassische Timer-Chip: der Spannungsgesteuerte Oszillatoren Quadraturoszillatoren Wien-Brücke und LC-Oszillatoren LC-Oszillatoren Quarzkristalloszillatoren 339 UNMITTELBAR VERSTÄNDLICHE SCHALTUNGEN Schaltungsvorschläge 344 ZUSÄTZLICHE ÜBUNGEN SPANNUNGSREGLER UND STROMVERSORGUNGSSCHALTUNGEN 349 GRUNDSCHALTUNGEN FÜR REGLER MIT DEM KLASSISCHEN Der 723-Regler Positiver Regler Hochstromregler 353 WÄRME- UND LEISTUNGSPLANUNG Leistungstransistor und Wärmeableitung Strombegrenzung durch Rückfaltung Überspannungsschutzschaltungen Weitere Überlegungen zum Entwurf von Hochstromnetzteilen Programmierbare Netzteile Beispiel für eine Netzteilschaltung Weitere Regler-ICs 367 DAS UNGEREGELTE NETZTEIL Bauteile der Netzleitung Transformator Gleichstrombauteile 372 SPANNUNGSREFERENZEN Zenerdioden Bandgap-Referenzen (UgE-Referenz) 378 DREI- UND VIERPOLIGE REGLER Dreipolige Regler

6.17 Einstellbare dreipolige Regler 386 6.18 Weitere Anmerkungen zu dreipoligen Reglern 387 6.

7 6.17 Einstellbare dreipolige Regler Weitere Anmerkungen zu dreipoligen Reglern Schaltregler und Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 399 NETZTEILSCHALTUNGEN FÜR BESONDERE ANWENDUNGEN Hochspannungsregler Rausch- und driftarme Netzteile Mikroleistungsregler Spannungskonverter mit fliegendem" Kondensator (Ladungspumpe) Konstantstromversorgungen Kommerzielle Netzteilmodule 429 UNMITTELBAR VERSTÄNDLICHE SCHALTUNGEN Schaltungsvorschläge Schlechte Schaltungen 431 ZUSÄTZLICHE ÜBUNGEN PRÄZISIONSSCHALTUNGEN UND RAUSCHARME TECHNIKEN 437 ENTWURFSTECHNIKEN VON PRÄZISIONSOPERATIONSVERSTÄRKERN Präzision und Dynamikbereich Fehlerbudget Schaltungsbeispiel: Präzisionsverstärker mit automatischem Nulloffset Ein Fehlerbudget für Präzisionsschaltungen Bauteilfehler Verstärkereingangsfehler Verstärkerausgangsfehler Autonullende (chopperstabilisierte) Verstärker 461 DIFFERENZ- UND MESS VERSTÄRKER Differenzverstärker Standard-Meßverstärker mit drei Operationsverstärkern 474 VERSTÄRKERRAUSCHEN Ursprung und Arten von Rauschen Signal-Rausch-Verhältnis und Rauschzahl Transistorverstärkerspannungs- und -stromrauschen Rauscharme Transistorschaltungen FET-Rauschen Auswählen von rauscharmen Transistoren Rauschen in Differenz- und Rückkopplungsverstärkern 496 RAUSCHMESSUNGEN UND RAUSCHQUELLEN Messungen ohne Rauschquelle Messungen mit einer Rauschquelle Rausch- und Signalquellen Bandbreitenbegrenzung und Messung der effektiven Spannung Rauschpotpourri

INTERFERENZ: ABSCHIRMUNG UND ERDUNG 507 7.23 Interferenz 507 7.24 Signalerde 509 7.25 Erdung zwischen Geräten 509 UNMITTELBAR VERSTÄNDLICHE SCHALTUNGEN 518 7.

8 INTERFERENZ: ABSCHIRMUNG UND ERDUNG Interferenz Signalerde Erdung zwischen Geräten 509 UNMITTELBAR VERSTÄNDLICHE SCHALTUNGEN Schaltungsvorschläge 518 ZUSÄTZLICHE ÜBUNGEN 518 ANHANG ANHANG A: OSZILLOSKOPE 525 ANHANG B: MATHEMATIK 531 ANHANG C: FARBCODES FÜR SCHICHTWIDERSTÄNDE MIT 5% TOLERANZ 534 ANHANG D: WIDERSTÄNDE MIT 1% GENAUIGKEIT 535 ANHANG E: SCHALTPLÄNE ZEICHNEN 537 ANHANG F: LASTKENNLINIEN 540 ANHANG G: TRANSISTORSÄTTIGUNG 543 ANHANG H: BUTTERWORTH-LC-FILTER 545 ANHANG I: ELEKTRONIKZEITSCHRIFTEN 549 ANHANG J: IC-BEZEICHNUNGEN 550 ANHANG K: DATENBLÄTTER 552 BIBLIOGRAPHIE 579 STICHWORTVERZEICHNIS

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