Halbleiter- Schaltungstechnik

Transkript

1 U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter- Schaltungstechnik 11., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage 1. korrigierter Nachdruck Unter Mitarbeit von E. Gamm Mit 1328 Abbildungen, 189 Tabellen und CD-ROM «jj Springer

2 Teil I. Grundlagen 1 1 Diode Verhalten einer Diode Kennlinie Beschreibung durch Gleichungen Schaltverhalten Kleinsignalverhalten Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter Aufbau einer Diode Einzeldiode Integrierte Diode Modell für eine Diode Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Spezielle Dioden und ihre Anwendung Z-Diode pin-diode Kapazitätsdiode Brückengleichrichter Mischer 35 2 Bipolartransistor Verhalten eines Bipolartransistors Kennlinien Beschreibung durch Gleichungen Verlauf der Stromverstärkung 43

3 XIV Inhaltsverzeichnis Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter Aufbau eines Bipolartransistors Einzeltransistoren Integrierte Transistoren Modelle für den Bipolartransistor Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Rauschen Grundschaltungen Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung Darlington-Schaltung Feldeffekttransistor Verhalten eines Feldeffekttransistors Kennlinien Beschreibung durch Gleichungen Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten Grenzdaten und Sperrströme Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Fet-Parameter Aufbau eines Feldeffekttransistors Integrierte Mosfets Einzel-Mosfets Sperrschicht-Fets Gehäuse Modelle für den Feldeffekttransistor Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Kleinsignalmodell Rauschen Grundschaltungen Sourceschaltung Drainschaltung Gateschaltung 288

4 XV 4 Verstärker Schaltungen Stromquellen und Stromspiegel Kaskodeschaltung Differenzverstärker Impedanzwandler Schaltungen zur Arbeitspunkteinstellung Eigenschaften und Kenngrößen Kennlinien Kleinsignal-Kenngrößen Nichtlineare Kenngrößen Operationsverstärker Übersicht Operationsverstärker-Typen Prinzip der Gegenkopplung Der normale Operationsverstärker (VV-OPV) Das Prinzip Universalverstärker Betriebsspannungen Single-Supply-Verstärker Rail-to-Rail-Verstärker Breitband-Operationsverstärker Frequenzgang-Korrektur Parameter von Operationsverstärkern Der Transkonduktanz-Verstärker (VC-OPV) Innerer Aufbau Typische Anwendung Der Transimpedanz-Verstärker (CV-OPV) Innerer Aufbau Frequenzverhalten Typische Anwendungen Der Strom-Verstärker (CC-OPV) Innerer Aufbau Typische Anwendung Vergleich Praktischer Einsatz Typen Kippschaltungen Der Transistor als digitales Bauelement Kippschaltungen mit gesättigten Transistoren Bistabile Kippschaltung 599

5 6.2.2 Monostabile Kippschaltungen Astabile Kippschaltung Kippschaltungen mit emittergekoppelten Transistoren Emittergekoppelter Schmitt-Trigger Emittergekoppelter Multivibrator Kippschaltungen mit Gattern Flip-Flop Univibrator Multivibrator Kippschaltungen mit Komparatoren Komparatoren Schmitt-Trigger Multivibratoren Univibratoren 618 Digitaltechnik Grundlagen Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Das Karnaugh-Diagramm Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Widerstands-Transitor-Logik (RTL) Dioden-Transistor-Logik (DTL) Langsame Störsichere Logik (LSL) Transistor-Transistor-Logik (TTL) Emittergekoppelte Logik (ECL) Komplementäre MOS-Logik (CMOS) NMOS-Logik Übersicht Verbindungsleitungen 650 Schaltnetze (Kombinatorische Logik) Zahlendarstellung Positive ganze Zahlen im Dualcode Positive ganze Zahlen im BCD-Code Ganze Dualzahlen mit beliebigem Vorzeichen Festkomma-Dualzahlen Gleitkomma-Dualzahlen Multiplexer aus-n-Decoder Demultiplexer Multiplexer 667

6 XVII 8.3 Prioritäts-Decoder Schiebelogik (Barrel Shifter) Komparatoren Addierer Halbaddierer Volladdierer Parallele Übertragslogik Subtraktion Zweierkomplement-Überlauf Addition und Subtraktion von Gleitkomma-Zahlen Multiplizierer Multiplikation von Festkomma-Zahlen Multiplikation von Gleitkomma-Zahlen Schaltwerke (Sequentielle Logik) Integrierte Flip-Flops Transparente Flip-Flops Flip-Flops mit Zwischenspeicherung Dualzähler Asynchroner Dualzähler Synchrone Dualzähler Vorwärts-Rückwärtszähler BCD-Zähler im 8421-Code Asynchroner BCD-Zähler Synchroner BCD-Zähler Vorwahlzähler Schieberegister Grundschaltung Schieberegister mit Paralleleingabe Aufbereitung asynchroner Signale Entprellung mechanischer Kontakte Flankengetriggertes.RS-Flip-Flop Synchronisation von Impulsen Synchrones Monoflop Synchroner Änderungsdetektor Synchroner Taktschalter Systematischer Entwurf von Schaltwerken Zustandsdiagramm Entwurfsbeispiel für einen umschaltbaren Zähler Reduzierung des Speicherplatzbedarfs Abhängigkeitsnotation 721

7 XVIII Inhaltsverzeichnis 10 Halbleiterspeicher Schreib-Lese-Speicher (RAM) Statische RAMs Dynamische RAMs RAM-Erweiterungen Zweitorspeicher RAM als Schieberegister First-In-First-Out Memories (FIFO) Fehler-Erkennung und -Korrektur Festwertspeicher (ROM) Masken-ROMs Programmierbare Festwertspeicher (PROM) UV-löschbare Festwertspeicher (EPROM) Elektrisch löschbare Festwertspeicher(EEPROMs) Programmierbare logische Bauelemente (PLD) Programmable Array Logic (PAL) Computer-gestützter PLD-Entwurf Typenübersicht Anwender-programmierbare Gate-Arrays 764 Teil II. Anwendungen Lineare und nichtlineare Analogrechenschaltungen Addierer Subtrahierer Rückführung auf die Addition Subtrahierer mit einem Operationsverstärker Bipolares Koeffizientenglied Integratoren Umkehrintegrator Anfangsbedingung Summationsintegrator Nicht invertierender Integrator Differentiatoren Prinzipschaltung Praktische Realisierung Differentiator mit hohem Eingangswiderstand Lösung von Differentialgleichungen Funktionsnetzwerke Logarithmus Exponentialfunktion 789

8 XIX Bildung von Potenzfunktionen über Logarithmen Sinus- und Cosinusfunktion Einstellbares Funktionsnetzwerk Analog-Multiplizierer Multiplizierer mit logarithmierenden Funktionsgeneratoren Steilheits-Multiplizierer Multiplizierer mit elektrisch isolierten Kopplern Abgleich von Multiplizierern Erweiterung von Ein- und Zweiquadrantenmultiplizierern zu Vierquadrantenmultiplizierern Multiplizierer als Dividierer und Radizierer Koordinatentransformation Transformation von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten Transformation von kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter Spannungsgesteuerte Spannungsquellen Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen Stromquellen für erdfreie Verbraucher Stromquellen für geerdete Verbraucher Transistor-Präzisionsstromquellen Schwimmende Stromquellen Stromgesteuerte Stromquellen Der NIC (Negative Impedance Converter) Der Gyrator Der Zirkulator Aktive Filter Theoretische Grundlagen von Tiefpaßfiltern Butterworth-Tiefpässe Tschebyscheff-Tiefpässe Bessel-Tiefpässe Zusammenfassung der Theorie Tiefpaß-Hochpaß-Transformation Realisierung von Tief- und Hochpaßfiltern 1. Ordnung Realisierung von Tief- und Hochpaßfiltern 2. Ordnung Filter mit Mehrfachgegenkopplung Filter mit Einfachmitkopplung 866

9 XX Inhaltsverzeichnis 13.5 Realisierung von Tief- und Hochpaßfiltern höherer Ordnung Tiefpaß-Bandpaß-Transformation Bandpaßfilter 2. Ordnung Bandpaßfilter 4. Ordnung Realisierung von Bandpaßfiltern 2. Ordnung L#C-Filter Bandpaß mit Mehrfachgegenkopplung Bandpaß mit Einfachmitkopplung Tiefpaß-Bandsperren-Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung L#C-Sperrfilter Aktive Doppel-T-Bandsperre Aktive Wien-Robinson-Bandsperre Allpässe Grundlagen Realisierung von Allpässen 1. Ordnung Realisierung von Allpässen 2. Ordnung Einstellbare Universalfilter Switched-Capacitor-Filter Grundprinzip Der SC-Integrator SC-Filter erster Ordnung Entwurf von SC-Filtern zweiter Ordnung Integrierte Realisierung von SC-Filtern Allgemeine Gesichtspunkte beim Einsatz von SC-Filtern Typenübersicht Signalgeneratoren LC-Oszillatoren Schwingbedingung Meißner-Schaltung Hartley-Schaltung (induktive Dreipunktschaltung) Colpitts-Oszillator (kapazitive Dreipunktschaltung) Emittergekoppelter LC-Oszillator Gegentaktoszillatoren Quarzoszillatoren Elektrische Eigenschaften eines Schwingquarzes Grundwellen-Oszillatoren Oberwellen-Oszillatoren Wien-Brücken-Oszillatoren Analogrechner-Oszillatoren 920

10 XXI 14.5 Funktionsgeneratoren Prinzipielle Anordnung Praktische Realisierung Funktionsgeneratoren mit steuerbarer Frequenz Funktionsgeneratoren zur gleichzeitigen Erzeugung von Sinus- und Cosinus-Schwingungen Leistungsverstärker Emitterfolger als Leistungsverstärker Komplementäre Emitterfolger Komplementäre Emitterfolger in B-Betrieb Komplementäre Emitterfolger in AB-Betrieb Erzeugung der Vorspannung Komplementäre Darlington-Schaltungen Komplementäre Sourcefolger Elektronische Strombegrenzung Vier-Quadranten-Betrieb Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstärkung Erhöhung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstärker Stromversorgung Eigenschaften von Netztransformatoren Netzgleichrichter Einweggleichrichter Brückengleichrichter Mittelpunkt-Schaltung Lineare Spannungsregler Einfachste Ausführung Spannungsregler mit fester Ausgangsspannung Spannungsregler mit einstellbarer Ausgangsspannung Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust Spannungsregler für negative Spannungen Symmetrische Aufteilung einer erdfreien Spannung Spannungsregler mit Sensor-Anschlüssen Labornetzgeräte Übersicht über integrierte Spannungsregler Erzeugung der Referenzspannung Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden Bandabstands-Referenz Typenübersicht Schaltnetzteile 978

11 16.6 Sekundärgetaktete Schaltregler Der Abwärts-Wandler Erzeugung des Schaltsignals Der Aufwärts-Wandler Der invertierende Wandler Spannungs-Wandler mit Ladungspumpe Typenübersicht Primärgetaktete Schaltregler Eintakt-Wandler Gegentakt-Wandler Hochfrequenztransformatoren Leistungsschalter Erzeugung der Schaltsignale Verlustanalyse Integrierte Ansteuerschaltungen Analogschalter und Abtast-Halte-Glieder Anordnung der Schalter Elektronische Schalter Fet als Schalter Dioden als Schalter Bipolartransistor als Schalter Differenzverstärker als Schalter Analogschalter mit Verstärkern Analogschalter für hohe Spannungen Verstärker mit umschaltbarer Verstärkung Abtast-Halte-Glieder Grundlagen Praktische Ausführung DA- und AD-Umsetzer Grundprinzipien der DA-Umsetzung DA-Umsetzer in CMOS-Technologie Summation gewichteter Ströme DA-Umsetzer mit Wechselschaltern Leiternetzwerk Inversbetrieb eines Leiternetzwerks Leiternetzwerk zur Dekadenkopplung DA-Umsetzer in Bipolartechnologie DA-Umsetzer für spezielle Anwendungen Verarbeitung vorzeichenbehafteter Zahlen Multiplizierende DA-Umsetzer 1035

12 XXIII Dividierende DA-Umsetzer DA-Umsetzer als Funktionsgenerator Genauigkeit von DA-Umsetzern Statische Kenngrößen Dynamische Kenngrößen Grundprinzipien der AD-Umsetzung Genauigkeit von AD-Umsetzern Statische Fehler Dynamische Fehler Ausführung von AD-Umsetzern Kaskadenumsetzer Wägeverfahren Zählverfahren Mikrocomputer-Grundlagen Grundstruktur eines Mikrocomputers Arbeitsweise eines Mikroprozessors Innerer Aufbau Befehls-Struktur Ausführung eines Befehls Befehls-Satz Speicher-Operationen Arithmetische und logische Operationen Sprungbefehle Entwicklungshilfen Programmierung im Hex-Code Programmierung mit Assembler Simulation und Emulation Typenübersicht Ein-Chip-Mikrocomputer Modularer Aufbau von Mikrocomputern Mikroprozessor-Platine Parallele Schnittstelle Feste Datenrichtung Bidirektionale Parallel-Schnittstellen Serielle Schnittstelle Serielle Übertragung DasACIA AnschluO an den Mikrocomputer Bus Programmierung des ACIAs Der ASCII-Code RS 232 C-, V.24-Schnittstelle 1115

13 Stromschnittstelle RS449-Norm IEC-Bus-Schnittstelle Datenausgabe auf Anzeigeeinheiten Analog-Ein-/Ausgabe Analog-Eingabe Analog-Ausgabe Digitale Filter Abtasttheorem Praktische Gesichtspunkte Digitale Übertragungsfunktion Beschreibung im Zeitbereich Beschreibung im Frequenzbereich Grundstrukturen Berechnung von FIR-Filtern Grundgleichungen Einfache Beispiele Berechnung der Filterkoeffizienten Realisierung von FIR-Filtern Parallele Realisierung von FIR-Filtern Serielle Realisierung von FIR-Filtern Berechnung von IIR-Filtern Berechnung der Filterkoeffizienten IIR-Filter in Kaskadenstruktur Realisierung von IIR-Filtern Aufbau aus einfachen Bausteinen Aufbau aus hochintegrierten Bausteinen Vergleich von FIR- und IIR-Filtern Meßschaltungen Spannungsmessung Impedanzwandler Messung von Potentialdifferenzen Trennverstärker (Isolation Amphner) Strommessung Erdfreies Amperemeter mit niedrigem Spannungsabfall Strommessung auf hohem Potential Meßgleichrichter (AC/DC-Converter) Messung des Betragsmittelwertes Messung des Effektivwertes Messung des Scheitelwertes Synchrongleichrichter 1215

14 XXV 23 Sensorik Temperaturmessung Metalle als Kaltleiter Kaltleiter auf Siliziumbasis, PTC Heißleiter, NTC Betrieb von Widerstandstemperaturfühlern Transistor als Temperatursensor Das Thermoelement Typenübersicht Druckmessung Aufbau von Drucksensoren Betrieb temperaturkompensierter Drucksensoren Temperaturkompensation von Drucksensoren Handelsübliche Drucksensoren Feuchtemessung Feuchtesensoren Betriebsschaltungen für kapazitive Feuchtesensoren Übertragung von Sensorsignalen Galvanisch gekoppelte Signalübertragung Galvanisch getrennte Signalübertragung Eichung von Sensorsignalen Eichung des Analogsignals Computer-gestützte Eichung Elektronische Regler Grundlagen Regler-Typen P-Regler PI-Regler PID-Regler Einstellbarer PID-Regler Regelung nichtlinearer Strecken Statische Nichtlinearität Dynamische Nichtlinearität Nachlaufsynchronisation (PLL) Abtast-Halte-Glied als Phasendetektor Synchrongleichrichter als Phasendetektor Frequenzempfindlicher Phasendetektor Phasendetektor mit beliebig erweiterbarem Meßbereich PLL als Frequenzvervielfacher 1294

15 XXVI Inhaltsverzeichnis 25 Optoelektronische Bauelemente Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Phototransistor Leuchtdioden Optokoppler Optische Anzeige Binär-Anzeige Analog-Anzeige Numerische Anzeige Alpha-Numerische Anzeige Anhang PSpice-Kurzanleitung Grundsätzliches Programme und Dateien Ein einfaches Beispiel Weitere Simulationsbeispiele Einbinden weiterer Bibliotheken Einige typische Fehler Passive RC- und LRC-Netzwerke Der Tiefpaß Der Hochpaß Kompensierter Spannungsteiler Passiver #C-Bandpaß Wien-Robinson-Brücke Doppel-T-Filter Schwingkreis Erklärung der verwendeten Größen Typen der 7400-Logik-Familien Normwert-Reihen Farbcode Hersteller und Distributoren 1390 Sachverzeichnis 1413