Halbleiter-Schaltungstechnik

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Theresa Hauer
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1 U. Tietze' Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Mit 513 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

2 Ulrich Tietze, 7400 Tiibingen, Bei der Ochsenweide 4 Christoph Schenk, 7031 Magstadt, SchwabstraGe 25 ISBN ISBN (ebook) DOI / Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Gcnehmigung des Springer-Verlages tibersetzt oder in irgendeiner F onn vcrvielfeiltigt werden. by Springer-Verlag Berlin Heidelberg UrsprUnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969 Softcover reprint of the hardcover l st edition 1969 Library of Congress Catalog Card Number Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nieht zu der Annahme, dab so1che Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dtirften. Wir libernehmen auch keine Gewahr, dab clie in diesem Buch enthaltenen Angaben frei von Patentrechten sind; durch diese Veroffentlichung wird weder stillschweigend noch sonstwie eine Lizenz auf ctwa bestchende Patente gewtihrt. Titel-Nr. 1565

3 Vorwort Die Elektronik dringt in immer weitere Gebiete von Wissenschaft und Technik vor. Sie beschdinkt sich Hingst nicht mehr auf Nachrichtentechnik und Datenverarbeitung allein, sondern ist tiberall dort, wo es etwas zu messen oder zu regeln gilt, unentbehrlich geworden. Selbst wenn man dabei nur fertige Gerate zu bedienen hat, ist es oft notwendig, etwas tiber deren Funktionsweise zu wissen, urn sie voll ausntitzen zu konnen. Das vorliegende Buch soli helfen, die Wirkungsweise fertiger Schaltungen verstehen und auch selbstandig neue entwerfen zu konnen. Naturwissenschaftler und Studierende der Hoch- und Fachschulen werden in dem Buch eine Einftihrung in die Halbleiterschaltungstechnik finden. AuBerdem soli das Buch den Fachleuten eine ausftihrliche und kritische Ubersicht tiber die viewiltigen Schaltungsmoglichkeiten bieten. Die auf diesem Gebiet bisher vorliegende Literatur beschreitet zwei prinzipiell verschiedene Wege: Einmal werden fertig dimensionierte Schaltungen mit einer qualitativen Beschreibung angegeben. Das hat den groben Nachteil, dab man die Schaltungen exakt nachbauen mub und nicht den eigenen Betriebsbedingungen anpassen kann, wenn man nicht weib, nach welchen Gesichtspunkten die Dimensionierung vorgenommen wird und wie man sie berechnet. Zum anderen werden einfache Schaltungen mit Hilfe der Vierpoltheorie sehr genau durchgerechnet. Das Ergebnis sind komplizierte Formeln, die sich nur schwer handhaben lassen. Hinzu kommt, dab man bei der Anwendung der Formeln die Daten der Halbleiter viel genauer kennen mtibte, als sie yom Hersteller angegeben werden konnen. Aus diesem Grund haben wir bei den Berechnungen von vornherein untergeordnete Effekte vernachiassigt. Dadurch vereinfachen sich die Formeln beachtlich, ohne dab sich das numerische Ergebnis nennenswert andert. Es ist dann moglich, auch kompliziertere Schaltungen mit geringem mathematischem Aufwand zu berechnen. Die meisten Halbleiterdaten unterliegen nicht nur einer betrachtlichen Fertigungstoleranz, sondern sind auberdem stark temperaturabhangig. Daher haben wir vorwiegend solche Schaltungen angegeben, deren Funktion von den Schwankungen der Halbleiterparameter nur wenig beeinflubt wird. In diesem Zusammenhang spielt die Gegenkopplung eine grobe Rolle. Wir haben deshalb den etwas ungewohnlichen Weg beschritten, die Wirkungsweise und Schaltungstechnik der Gegenkopplung zunachst am Beispiel des idealen Operationsverstarkers zu

4 IV Vorwort beschreiben, ohne uns dabei urn seinen inneren Aufbau zu kiimmern. Die dort eingefuhrte Denkweise wenden wir dann spater auf viele Schaltungen an und gelangen dadurch zu einer besonders iibersichtlichen Funktionsbeschreibung, die sich in der praktischen Entwicklungsarbeit auberordentlich gut bewahrt hat. Herrn Diplom-Physiker H. WEN KING danken wir fur manche gute Anregung, ebenso Herrn Gymnasial-Professor J. SAMULEIT, der in vielen Diskussionen mitgeholfen hat, die Arbeit zu fordern. SchlieBlich danken wir dem Verlag fur die gute Zusammenarbeit. Tiibingen und Magstadt, im Friihjahr 1969 U. TIETZE CH. SCHENK

5 1 Erkliirung der verwendeten GroBen Inhaltsverzeichnis 2 Dioden Kennlinien und charakteristische Daten 2.2 Z- und Avalanche-Dioden Gleichrichterschaltungen und passive Stabilisierungsschaltungen 3.1 Einweggleichrichterschaltung Vollweggleichrichterschaltung Drehstrom-Briickengleichrichterschaltung 3.4 Spannungsverdoppler Spannungsvervielfacher Reihen- und Parallelschaltung von Dioden 3.7 Filterschaltungen Spannungsstabilisierungsschaltungen mit Z-Dioden 3.9 MeBgleichrichter RC- und LRC-Netzwerke 4.1 Der Hochpal Der Tiefpal Anstiegszeit und Grenzfrequenz 4.4 Weitwinkel-Phasenschieber 4.5 Wien-Briicke 4.6 Wien-Robinson-Briicke 4.7 Doppel-T-Filter Klangregelschaltung 4.9 Schwingkreis 5 Der Operationsverstiirker 5.1 Eigenschaften eines Operationsverstiirkers 5.2 Umkehrverstiirker, Gegenkopplung Elektrometerverstiirker Kompensation von Eingangsruhestrom und Offsetspannung 6 Der Transistor 6.1 Beschreibung 6.2 Kennlinien 6.3 Das Transistorrauschen 6.4 Grenzdaten Messung einiger charakteristischer Daten

6 VI Inhaltsverzeichnis 7 Grundschaltungen Emitterschaltung Kollektorschaltung, Emitterfolger Basisschaltung KaskodeschaItung Konstantstromquellen Schaltungen zur Erzeugung erdsymmetrischer Wechselspannungen Niederfrequenz-Vorverstiirker Z weistufiger NF -V erstarker GegengekoppeIter NF-Verstarker Gegengekoppelter NF-Verstarker flir symmetrische Betriebsspannungen NF-Verstarker mit dreistufiger Spannungsverstarkung NF-Verstarker mit Komplementartransistoren Differenzverstiirker 9.1 Grundschaltung Differenzverstlirker mit hoher Gleichtaktunterdriickung. 9.3 Differenzverstarker mit Nullpunkteinstellern 9.4 Offsetspannungsdrift beim Differenzverstarker 9.5 Darlington-Differenzverstarker Bootstrap-Differenzverstarker Differenzverstarker mit negativem Kollektorwiderstand 9.8 Differenzverstarker mit Umkehrverstarker 10 Autbau von Operationsverstiirkern Einfachste Ausflihrung Operationsverstarker mit zweistufiger Spannungsverstarkung 10.3 Operationsverstarker mit geringerer Drift Operationsverstarker mit hoher Bandbreite Operationsverstarker mit komplementaren Differenzverstarkern 10.6 Operationsverstarker mit geregelter Konstantstromquelle Operationsverstarker mit dreistufiger Spannungsverstarkung Phasenkompensation bei Operationsverstarkern 10.9 Messung einiger Operationsverstarkerdaten 11 Anwendungen der Operationsverstiirker 11.1 Addier- und Subtrahierschaltungen 11.2 Prazisions-Niederfrequenz-Verstarker 11.3 Konstantspannungsquellen Konstantstromquellen Der NIC (Negative Impedance Converter) 11.6 Der Rotator 11.7 Der Gyrator Integratoren 11.9 Differentiatoren PID-Regler Me13schaItungen Selektive Filter Operationsverstarker als Schalter Analog-Multiplizierer

7 Inhaltsverzeichnis VII 12 Leistungsverstiirker 12.1 Emitterfolger Komplementare Emitterfolger Darlington-Schaltungen als komplementare Emitterfolger W-Niederfrequenz-Verstarker Leistungsverstarker mit Transformatorkopplung 13 Stabilisierte N etzgeriite Eigenschaften Prinzip der Netzgerate Regelung der Ausgangsspannung bei konstanter Referenzspannung Ausfiihrungsformen des Leistungsverstarkers 13.5 Ausfiihrung der Regelverstarker 13.6 Prazisionsnetzgerate Breitbandverstiirker 14.1 Untere Grenzfrequenz 14.2 Obere Grenzfrequenz 14.3 Resonanzverstarker Kettenverstarker (distributed amplifier) 15 Oszillatoren 15.1 Allgemeine Riickkopplungsbedingung 15.2 LC-Oszillatoren Quarzoszillatoren RC-Oszillatoren Synthetische Herstellung von Sinusschwingungen 16 Digitale GrundschaItungen 16.1 Der Transistor als Schalter 16.2 Astabiler Multivibrator 16.3 Univibrator RS-Flip-Flop Flip-Flop mit Vorbereitungseingangen 16.6 Schmitt-Trigger Feldeffekttransistoren 17.1 Klassifikation Kennlinien und charakteristische Daten von n-kanal-fets Grenzdaten Grundschaltungen Niederfrequenzverstarker mit Fet-Eingang 17.6 DifTerenzverstarker mit hohem Eingangswiderstand 17.7 Fet als Konstantstromquelle 17.8 Fet als steuerbarer Widerstand Fet als Leistungsverstarker Astabiler Multivibrator fiir lange Schaltzeiten Univibrator fiir lange Schaltzeiten

8 VIII Inhaltsverzeichnis 18 Zerhacker und Modulatoren 18.1 Mechanische Zerhacker 18.2 Transistorzerhacker 18.3 Fet-Zerhacker 18.4 Diodenzerhacker 18.5 Ringmodulator Photozerhacker Modulator mit Kapazitatsdioden 18.8 Zerhacker als Modulator und Synchrondemodulator 18.9 Zerhackerverstarker Spezialdioden... Kapazitatsdioden (Varactor-Dioden).... Metall-Halbleiter-Diode (Hot Carrier Diode) Speicher-Schalt-Diode (Step Recovery Diode) pin-diode Tunneldiode Backward-Diode Feldeffektdiode (Curristor) Vierschichtdiode Trigger-Diode (Diac) Spezialtransistoren Unijunction-Transistor Thyristor Triac Vierschichttriode Photohalbleiter. Photometrie Photowiderstand Photodioden.. Photohalbleiter mit drei Elektroden Leuchtdioden Literatur... Sachverzeichnis

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