Morgenstern. Elektronik. Band II: Schaltungen

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1 Morgenstern Elektronik Band II: Schaltungen

2 .----_ Literatur fur das --.. Grundstudium Mathematik fur Ingenieure von L. Papula, 2 Bande Ubungsbuch zur Mathematik fur Ingenieure von L. Papula Mathematische Formelsammlung von L. Papula Grundlagen der Elektrotechnik von W. Ameling, 2 Bande Elektrotechnik fur Ingenieure von W. WeiBgerber, 3 Bande Elemente der angewandten Elektronik von E. Bohmer Elektronik von B. Morgenstern, 3 Bande Elektrische MeBtechnik von K. Bergmann Werkstoffkunde fur die Elektrotechnik von P. Guillery, R. Hezel und B. Reppich Lehr- und Ubungsbuch der Technischen Mathematik von H. H. Gloistehn, 3 Bande '----Vieweg

3 Bodo Morgenstern Elektronik Band II: Schaltungen for Elektrotechniker ab 1. Semester 6., verbesserte Auflage Mit 275 Bildern II vleweg

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Morgenstern, Bodo: Elektronik: for Elektroniker ab 1. Sem. I Bodo Morgenstern. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg (Uni-Text) Teilw. mit Erscheinungsort Braunschweig Bd. 2. Schaltungen. - 6., verbesserte Aufl ISBN-13: Auflage , durchgesehene Auflage , Oberarbeitete und erweiterte Auflage , durchgesehene Auflage , durchgesehene Auflage , verbesserte Auflage 1989 Aile Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweiglWiesbaden, 1989 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschotzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere for Vervielfaltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN-13: e-isbn-13: : /

5 Inhaltsverzeichnis II Schaltungen der Elektronik 1 Passive Schaltungen mit R, C und L Obertragungsverhalten von RC-Gliedern Der RC-Hochpa~ Obergangsfunktion Reaktion des Hochpasses auf periodische Rechteckimpulse Reaktion des Hochpasses auf periodische Impulsgruppen Die untere Grenzfrequenz des RC-Hochpasses Der RC-Tiefpa~ Obergangsfunktion Reaktion des Tiefpasses auf periodische Rechteckimpulse Reaktion des Tiefpasses auf periodische I mpulsgruppen Die obere Grenzfrequenz des RC-Tiefpasses Obertragungsverhalten von R L-Gliedern Wien-Brucke Wien-Robinson-Brucke Doppel-T-Filter Der RC-Phasenschieber (AlipaB) Verstarker Einleitung Klassifizierung der Verstarkertypen Transistor-Verstarkergrundschaltungen fur Niederfrequenz Aligemeines Die Emitterschaltung Prinzip Ersatzschaltbild und Gleichungen Eigenschaften Die Emitterschaltung mit Wechselstromgegenkopplung Prinzip Ersatzschaltbild und Gleichungen Eigenschaften Die Emitterschaltung" mit Wechselspannungsgegenkopplung Prinzip Gleichungen Eigenschaften... 42

6 VI 3.5 Die Kollektorschaltung (der Emitterfolger) Prinzip Ersatzschaltbild und Gleichungen... : Eigenschaften Die Basisschaltung Prinzip Ersatzschaltung und Gleichungen Eigenschaften Erhohung des Eingangswiderstandes durch Bootstrap-Schaltung Frequenzverhalten der 3 Grundschaltungen Verhalten bei tiefen Frequenzen, untere Grenzfrequenz Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung Verhalten bei hohen Frequenzen, obere Grenzfrequenz Klirrfaktor, nichtlineare Verzerrungen Zusammenfassender Vergleich der 3 Transistorgrundschaltungen bei Niederfrequenz Transistor-BetriebsgroBen, ausgedriickt durch h-parameter Gleichspannungsverstarker Eintaktverstarker Darlington-Schaltung Differenzverstiirker Prinzipschaltung Ersatzschaltung und Gleichungen Differenzverstarkung Gleichtaktverstarkung.... Gleichtaktunterdruckung Differentieller Eingangswiderstand Ausgangswiderstand.... Offset-Spannung und Offset-Strom Offset-Spannung Offset-Strom.... Eingangsruhestrom Realisierung von Konstantstromquellen Schaltungsvarianten und Dimensionierungsregeln beim Differenzverstarker Gleichspannungsverstiirker mit MeBzerhacker (Chopperverstiirker) Chopperverstarker mit mechanischem Zerhacker Chopperverstarker mit Varicap-Dioden Chopperstabilisierter Spannungsverstarker Weitere Zerhackerschaltungen

7 VII 5 Operationsverstarker KenngroBen des idealen Operationsverstiirkers Leerlaufverstiirkung Vo Eingangskenngri:i~en Ausgangskenngri:i~en Gleichtaktkenngri:i~en..., Offset-Kenngri:i~en Ersatzschaltbild KenngroBen des realen Operationsverstiirkers Leerlaufverstiirkung Eingangskenngri:i~en Ausgangskenngri:i~en Gleichtaktkenngri:i~en Offset-Kenngri:i~en Rauschen Frequenzgri:i~en, Bode-Diagramm, Nyquist-Diagramm Ersatzschaltbild Anwendung des Operationsverstiirkers I nvertierender Verstiirker (Inverter) Einflu~ der endlichen Leerlaufverstiirkung Vo Einflu~ der endlichen Eingangsimpedanz Ze Einflu~ der Ausgangsimpedanz Za =1= Zusammenfassung aller 3 Einfllisse Eingangs- und Ausgangsimpedanz Nichtinvertierender Verstiirker Addierer Subtrahierer Logarithmierer und Delogarithmierer (Potenzierer) I mpedanzwandler Der Inverter als Impedanzwandler Impedanzwandler mit Nichtinverter (Einverst.) Negativ-Impedanzwandler (NIC) Leerlaufstabiler N IC Kurzschlu~stabiler N IC Differenzierschaltung (Differentiator) I ntegrierschaltung (I ntegrator) PI-Verstiirker PI D-Verstiirker Konstantstromquelle Konstantspannungsquelle Aktive Filterschaltungen mit RC-Gliedern Einleitung Der aktive Tiefpa~ mit einfacher Gegenkopplung. " Der aktive Tiefpa~ mit einfacher Mitkopplung... " Der aktive Hochpa~ mit einfacher Gegenkopplung Der aktive Hochpa~ mit einfacher Mitkopplung

8 VIII Filterschaltungen mit mehrfacher Ruckkopplung Aktive BandpaB Schaltungen Der Gyrator Allgemeines Anwendung des Gyrators in der Filtertechnik Ruckkopplung von Transistorverstarkern Eigenschaften der Riickkopplung Arten der Riickkopplung und deren EinfluB auf die KenngroBen des Verstiirkers Spannungs Serien Gegenkopplung Strom-Serien-Gegenkopplung Spannungs-Parallel-Gegenkopplung Strom-Parallel-Gegenkopplung Vergleich der 4 Grundschaltungen miteinander Spannungs- und Stromstabilisierung mit Halbleitern Aligemeines Spannungsstabilisierung, analog arbeitende Grundschaltungen Kenngr6Ben der Stabilisierung Regelfaktor, Stabilisierungsfaktor I nnenwiderstand Spannungsstabil isierung mit Z-Dioden und Transistoren Z-Dioden-Parallelstabil isierung Stabilisierung mit Uingstransistor Stabilisierung mit Uingstransistor und Regelverstarker Stabilisierung mit Zweierkaskade im Langszweig und Regelverstarker Stabilisierung mit Langstransistor und Regelverstarker mit vorstabilisierter Hilfsspannung Schaltung mit dynamischen AuBenwiderstand im Regelverstarker Stabilisierung mit Zweierkaskade im Langszweig und Regelverstarker bei zusatzlicher Kompensation vonaundr a Strombegrenzung bei Spannungsstabilisatoren Einfache Strombegrenzung Strombegrenzung mit negativem Innenwiderstand Oberblick tiber weitere Spannungsregler-Schaltungen Stromstabilisierung, Konstantstromquellen Stromregelschaltung mit Langstransistor und Z-Diode Stromregler mit Langstransistor und Regelverstarker Stromregler mit Zweierkaskade und Regelverstarker

9 IX 7.6 Schaltnetzteile Allgemeines Prinzip Sperrwandler DurchfluBwandler Gegentaktwandler Transistor-leistungsverstarker Aligemeines Grundlagen Betriebsarten und Wirkungsgrad A-, B- und C-Betrieb Wirkungsgrad Leistungsverstarker-Schaltungen leistungsverstarker ohne Transformatorkopplung Einfacher Emitterfolger als Eintaktverstarker Einfacher komplementarer Gegentakt-B-Verstarker Einfacher Komplementar-Gegentakt-AB-Verstarker MaBnahmen zur weiteren Verbesserung der Grundschaltungen Dimensionierungsbeispiel fur einen 30 W-leistungsverstarker Quasikomplementar-Endstufe leistungsverstarker mit Transformatorkopplung Der Transistor als Schalter Idealer und realer Schalter Transistorschalter bei Ohmscher Last Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Definition der Schaltzeiten Verbesserung des dynamischen Verhaltens Transistorschalter bei induktiver Last Transistorschalter bei kapazitiver Last Transistorschalter in logischen Verknupfungsgliedern Aligemeines, positive und negative logik logische Verknupfungen AND, OR, NOT, NAND, NOR Bipolar-Grundschaltungen als Basis verschiedener logikfamilien (RTl, DTl, TTL, ECl, 12L) Kippschaltungen mit Transistoren Aligemeines,Obersicht Bistabile Kippschaltung, Flipflop Grundschaltung Arten von Flipflops RS-Flipflop ohne Taktsteuerung

10 x Taktzustandsgesteuertes RS-FI ipflop (Auffangflipflop, Latch) D-Flipflop Zweispeicherflipflop Prinzip des Zweispeicherfl ipflops Arten der Taktflankensteuerung JK-Flipflop T-Flipflop (Toggle- odertriggerflipflop) Monostabile Kippschaltung, Monoflop Grundschaltung Monoflop mit statischem Eingang Monoflop mit dynamischem Eingang Monoflop mit logischen Grundfunktionen Astabile Kippschaltung, Multivibrator Grundschaltung Verbesserung der dynamischen Eigenschaften Schmitt-Trigger Prinzip und Grundschaltung Dimensionierung des Schmitt-Triggers Sinus-Oszillatoren Aligemeines Osziliatortypen Wien-Brucken-Oszillator RC-Phasenschieberoszillator LC-Oszillatoren mit abgestimmten Schwingkreisen Hartley-Oszillator (induktive Dreipunktschaltung) Colpitts-Oszillator (kapazitive Dreipunktschaltung) Dimensionierung von LC-Oszillatoren Hartley-Oszillator Colpitts-Oszillator Ouarzoszillatoren Allgemeines, Eigenschaften von Schwingquarzen Ersatzschaltbild des Schwingquarzes "Ziehen" der Resonanzfrequenz Schaltungsbeispiele fur Ouarzoszillatoren Feldeffekt-Transistor-Schaltungen Grundschaltungen Source-Schaltung Drainschaltung (Sourcefolger) Gateschaltung Vergleich der Eigenschaften der 3 Grundschaltungen Wahl und Einstellung des Arbeitspunktes Allgemeines PN-FET

11 XI Selbstsperrender MOSFET Selbstleitender MOSFET Vergleich sonstiger Feldeffekt-Transistorschaltungen mit den entsprechenden Bipolar-Transistorschaltungen Bootstrap-Schaltung Differenzverstarker Oszillatoren und Kippschaltungen Feldeffekttransistoren in logischen Verkniipfungsgliedern Aligemei nes MOS-Inverter MOS-NAND und MOS NOR MOS XOR und MOS-XNOR CMOS Schaltungstechnik CMOS lnverter CMOS-NAND/NOR und -NOR/NAND CMOS Transmission-Gate (CMOS-Schalter) Systematische Methoden zurvereinfachung logischer Schaltungen Aligemeines, Boolesche Algebra Das Rechnen mit der zweielementigen Booleschen Algebra Definitionen Theoreme der Booleschen Algebra Dualitatsprinzip Konjunktive und disjunktive Normalform Ausgezeichnete Normalformen, Minterme und Maxterme Eigenschaften von Mintermen und Maxtermen Methoden zur Berechnung von logischen Schaltungen Schaltznetzanalyse Ermittlung der Schaltfunktion Aufstellen der Wahrheitstabelle ErmittelnderKV Tafel AufbauderKV Tafel KV-Tafel nach der Minterm-Methode KV-Tafel nach der Maxterm-Methode Schaltnetzsynthese Schaltnetzsynthese aus AND-, OR- und NOT Gliedern Schaltznetzsynthese ausschlieblich mit NOR- Gliedern Schaltnetzsynthese ausschlieblich mit NAND Gliedern Zusammenfassung der Regeln Schaltnetzvereinfachung Problemstellung Obersicht iiber verschiedene Verfahren

12 XII Rechenregeln fur die algebraische Vereinfachung Vereinfachung mittels KV-Diagramm Benutzung von Redundanzen (don't-care-felder) Zusammenfassung der Regeln zum Arbeiten mit der KV-Tafel Quellennachweis 295 Sachweiser Formelzeichen und Abkurzungen 302 I nhaltsubersicht Band I