Halbleiter-Scha1tungstechnik

Transkript

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2 U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter-Scha1tungstechnik Achte, iiberarbeitete Auflage Mit 1017 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1986

3 Dr.-Ing. Ulrich Tietze Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fur Technische Elektronik der UniversiUit Erlangen-Nlirnberg Cauerstr. 9, 8520 Erlangen Dr.-Ing. Christoph Schenk Geschiiftsfiihrender Gesellschafter der Dr. Schenk GmbH, Industriemesstechnik, Bunsenstr. 4a, 8033 Martinsried/Miinchen Ubersetzt in folgende Sprachen: Polnisch: Naukowo-Techniczne, Warschau 1976 Englisch: Springer, Berlin, Heidelberg, New York 1978 Ungarisch: Mliszaki, Budapest 1981 Russisch: Mir, Moskau 1982 Spanisch: Marcombo, Barcelona 1983 Italienisch: Edizioni di Scienza e Technica 1986 Chinesisch: 1985 ISBN CIP-Kurztitelaufnahme def Deutschen Bibliothek Tietze, Ulrich: Halbleiter-Schaltungstechnik / U. Tietze; Ch. Schenk. - 8., iiberarb. Aufl. ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Schenk, Christoph: Das Week ist urheberrechtlich geschtitzt. Die dadurch begrtindeten Rcchte, insbesondere die def Ubersetzung, des Nachdrucks, dec Entnahme von Abbildungen, def Funksendung, dec Wiedergabe auf photomcchanischem oder ahnlichem Wege und def Speicherung in Datenverarbcitungsanlagen bleiben, auch hei nur auszugsweiscr Verwertung, vorhehalten. Die Vergtitungsanspriiche des 54, Abs.2 UrhG werden durch die,verwertungsgesellschaft Wort', Munchen, wahrgenommen. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969, 1971, 1974, 1976, 1978, 1980, 1983, 1985 and 1986 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1986 Softcover reprint of the hardcover 8th edition 1986 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeiehnung nieht zu der Annahme, dail solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften. Wir ubernehmen auch keine Gewuhr, dail die in diesem Buch enthaltcnen Angaben frei von Patentrechten sind; durch diese Veroffentliehung wird weder stillschweigend noeh sonstwie eine Lizenz auf etwa bestehende Patente gewahrt. Satz: H. Stiirtz AG, Wiirzburg, und H. Hagedorn GmbH & Co, Berlin 2362/

4 Vorwort zur achten Auflage Wir freuen uns, dab der rasche Verkauf der sieben ten Auflage uns die Moglichkeit gibt, das Buch in verbesserter Form neu herauszugeben. Bei dieser Gelegenheit haben wir alle Typenangaben auf den neuesten Stand gebracht und damit sichergestellt, dab das Buch auch seine Funktion als Nachschlagewerk weiterhin uneingeschrankt erfuilen kann. Erlangen und Miinchen, im Mai 1986 U. Tietze Ch. Schenk Aus dem V orwort zur sechsten Auflage Die Elektronik dringt in immer weitere Gebiete von Wissenschaft und Technik vor. Sie beschrankt sich langst nicht mehr auf Nachrichtentechnik und Datenverarbeitung allein, sondern ist iiberall dort unentbehrlich geworden, wo es etwas zu messen, zu steuern oder zu regeln gilt. Das vorliegende Buch soll helfen, die Wirkungsweise fertiger Schaltungen zu verstehen und auch selbstandig neue entwerfen zu konnen. Das Buch ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil ist als EinfUhrung in die Qrundlagen der Halbleiter-Schaltungstechnik gedacht und wendet sich an Naturwissenschaftler und Studierende der Hoch- und Fachschulen. Er enthalt den Stoff einer zweisemestrigen Grundlagen Vorlesung in Technischer Elektronik. Dabei gehen wir von den Kennlinien der Bauelemente aus und verzichten bewubt auf die Erkliirung der physikalischen Vorgange im Halbleiter. Hierzu verweisen wir auf die einschliigige Literatur. Bei der Schaltungsanalyse vernachlassigen wir von vornherein untergeordnete Effekte. Dadurch wollen wir dem Leser ein qualitatives Verstandnis der wesentlichen Zusammenhange ermoglichen. Dieses Verstandnis ist die Grundvoraussetzung fur eine kreative Entwicklungsarbeit und damit viel wichtiger als eine besonders genaue Schaltungsberechnung, die angesichts der betrachtlichen Fertigungstoleranzen ohnehin kaum sinnvoll ist. Der zweite Teil des Buches ist anwendungsorientiert gegliedert. Er soil den in der Praxis stehenden Fachleuten sowie den Studierenden hoherer Semester eine ausfuhrliche und kritische Ubersicht iiber die vielfaltigen Schaltungsmoglichkeiten bieten. Dabei steht der Einsatz integrierter Schaltungen im Vordergrund. Bei der Digitaltechnik mub man dem Umstand Rechnung tragen, dab fur viele Anwendungen

5 VI Aus dem Vorwort zur sechsten Auflage hochintegrierte Spezialbausteine erhaltlich sind. Daraus ergibt sich eine neue Optimierungs-Strategie: Es geht nicht mehr darum, die Zahl der logischen Verkntipfungen zu minimisieren, sondern die am besten geeigneten Spezialbausteine zu kombinieren. Wenn nicht besonders hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten verlangt werden, ergibt sich die einfachste und tibersichtlichste Schaltung haufig durch die Verwendung eines Mikroprozessors. Dadurch verlagert sich die Schaltungsentwicklung mehr und mehr auf die Programmierungsebene. Der grobe V orteil dieser Technik besteht darin, dab ein und dieselbe Schaltungsanordnung auf einfachste Weise der jeweiligen Aufgabenstellung angepabt werden kann. Urn den Ubergang von der konventionellen Digitalschaltungstechnik zur Mikroprozessor Technik zu erleichtern, haben wir die Hardware- und Software-Aspekte gleichberechtigt in zwei ausfuhrlichen Kapiteln behandelt. Die Kapitel des zweiten Teils sind so abgefabt, dab sie unabhangig voneinander gelesen werden konnen. Damit wollen wir den etwas fortgeschrittenen Leser in die Lage versetzen, sich bei Bedarf schnell in die verschiedenen Spezialgebiete einzuarbeiten. Urn dabei auf moglichst kurzem Wege zur praktischen Realisierung zu gelangen, haben wir die verschiedenen Schaltungsprinzipien anhand typischer Losungsbeispiele erlautert, deren Funktionsfahigkeit anhand eigener Laborversuche tiberprtift wurde. Nachdem nunmehr eine internationale Einigung tiber die Verwendung einheitlicher Schaltsymbole fur die Digitaltechnik zustande gekommen ist, haben wir die Darstellung dem neuesten Stand angepabt. Die Umstellung bedeutet sehr viel mehr als nur den Ubergang von runden Symbolen auf eckige. Mit der EinfUhrung der Abhangigkeitsnotation wurde eine vollig neue Systematik geschaffen, mit der auch komplexe Bausteine eindeutig beschrieben werden konnen. Wir haben diesem Punkt besondere Aufmerksamkeit gewidmet, urn auch "alten Hasen" das Verstandnis der neuen DatenbIatter zu ermoglichen. Entsprechend der standig wachsenden Bedeutung haben wir den Halbleiterspeichern ein eigenes Kapitel gewidmet und dabei auch spezielle Anwendungsfalle aufgenommen, wie z.b. FIFOs und Zweitorspeicher. Mit Hilfe von schnell schaltenden Leistungstransistoren, insbesondere von Leistungsmosfets, wurden die Daten von Schaltnetzteilen so verbessert, dab sie die linearen Netzteile in vielen Bereichen verdrangt haben. Aus diesem Grund haben wir die Schaltnetzteile sehr viel ausfuhrlicher als bisher behandelt. Erlangen und M tinchen, im September 1983 U. Tietze Ch. Schenk

6 Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1 Erkliirung der verwendeten GroBen 1 2 Passive RC- und LRC-Netzwerke Der TiefpaB Der HochpaB Kompensierter Spannungsteiler Passiver RC-BandpaB Wien-Robinson-Briicke Doppel-T -Filter Schwingkreis 22 3 Dioden Kennlinien und charakteristische Daten Z-Dioden KapaziHitsdioden 27 4 Bipolartransistoren Kennlinien und Kleinsignalparameter Grenzdaten Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung, Emitterfolger Transistor als Konstantstromquelle Darlington-S chal tung Differenzverstarker Messung einiger Transistorparameter Das Transistor-Rauschen 78 5 F eldeffekttransistoren Klassifikation Kennlinien und Kleinsignalparameter Grenzdaten 88

7 VIII InhaItsverzeichnis 5.4 Grundschaltungen Fet als Konstantstromquelle F et -DifferenzversHirker Fet als steuerbarer Widerstand 99 6 Optoelektronische Bauelemente Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Phototransistor Leuchtdioden Optokoppler Optische Anzeige Operationsverstiirker Eigenschaften eines Operationsverstarkers Prinzip der Gegenkopplung Nicht-invertierender Verstarker Invertierender Verstarker Innerer Aufbau von Operationsverstarkern Integrierte Standard-Operationsverstarker Freq uenzgang-korrektur Messung von Operationsverstarker-Daten Typenlibersicht Kippschaltungen Der Transistor als digitales Bauelement Kippschaltungen mit gesattigten Transistoren Kippschaltungen mit emittergekoppelten 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 227

8 Inhaltsverzeichnis IX 10 Schaltwerke (Sequentielle Logik) Integrierte Flip-Flops Dualzahler BCD-Zahler im 8421-Code V orwahlzahler Schieberegister Autbereitung asynchroner Signale Systematischer Entwurf von Schaltwerken Halbleiterspeicher Festwertspeicher (ROM) Schreib-Lese-Speicher (RAM) Zweitorspeicher RAM als Schieberegister First-In-First-Out Memories (FIFO) Fehler-Erkennung und -Korrektur 293 Teil II. Anwendungen 12 Lineare und nichtlineare Analogrechenschaltungen Addierer Subtrahierer Bipolares Koeffizientenglied Integnitoren 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 398

9 X Inhaltsverzeichnis 14.3 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 1. Ordnung Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 2.0rdnung Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern h6herer Ordnung TiefpaB-BandpaB-Transformation Realisierung von BandpaBfiltern 2. Ordnung TiefpaB-Bandsperren-Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung AllpaB-Filter Einstellbare Universalfilter 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 Leistungsverstarker Emitterfolger als Leistungsverstarker Komplementare Emitterfolger Komplementare Darlington-Schaltungen Komplementare Sourcefolger Elektronische Strombegrenzung Vier-Quadranten-Betrieb Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstarkung Erh6hung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstarker 509

10 Inhaltsverzeichnis XI 18 Stromversorgung Eigenschaften von Netztransformatoren Netzgleichrichter Lineare Spannungsregler Erzeugung der Referenzspannung Schaltnetzgedite Sekundargetaktete Schaltregler Primargetaktete Schal tregler Digitale Rechenschaltungen Zahlendarstellung Code-U msetzer Schiebe10gik (Barrel Shifter) Komparatoren Addierer M ultiplizierer Digitale Funktionsnetzwerke Mikrocomputer-Grundlagen Grundstruktur eines Mikrocomputers Arbeitsweise eines Mikroprozessors Befehls-Satz Entwicklungshilfen Typenlibersicht Minimal-Systeme Modularer Autbau von Mikrocomputern Mikroprozessor-Platine Speicher-Pia tine Programmierung von EPROMs Parallele Schnittstelle Serielle Schnittstelle IEC-B us-schnittstelle Programmierbarer Zahler Interrupt-Controller Direkter Speicherzugriff (DMA) Arithmetik -Prozessor Datenausgabe auf Anzeigeeinheiten Video-Ausgabe Analog-Ein-/Ausgabe Spezielle Peripherieschaltungen 695

11 XII Inhaltsverzeichnis 22 Digitale Filter Abtasttheorem Digitale Ubertragungsfunktion Bilineare Transformation Realisierung von Digitalfiltern Analogschalter und Abtast-Halte-Glieder ' Anordnung der Schalter Elektronische Schalter Analogschalter mit VersHirkern Abtast-Halte-Glieder DA- und AD-Umsetzer Grundprinzipien der DA-Umsetzung DA-Umsetzer in CMOS-Technologie DA-Umsetzer in Bipolartechnologie DA-Umsetzer fur spezielle Anwendungen Genauigkeit von DA-Umsetzern Grundprinzipien der AD-Umsetzung Genauigkeit von AD-Umsetzern AusfUhrung von AD-U msetzern Me8schaltungen Spannungsmessung Strommessung MeBgleichrichter (AC/DC-Converter) Elektronische Regier Grundlagen Regler-Typen Regelung nichtlinearer Strecken N achlaufsynchronisation (PLL) Anhang Halbleiter-Hersteller und Distributoren N ormwert -Reihen Farbcode 838 Literatur 840 Verzeichnis der Tabellen fiber integrierte Schaltungen 847 Sachverzeichnis 849