Halbleiter-Schaltungstechnik

U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Vierte, v6llig neubearbeitete und erweiterte Auflage Mit 804 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1978

Dr.-Ing. Ulrich Tietze Dr.-Ing. Christoph Schenk Mitarbeiter am Lehrstuhl fur Technische Elektronik cler Universitat Erlangen-Niirnberg ISBN 978-3-662-07648-4 ISBN 978-3-662-07647-7 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-07647-7 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek. Tietze, Ulrich. Halbleiter-Schaltungstechnik/U. Tietze; Ch. Schenk. 4., vollig neubearb. u. erw. Aufl. - Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 1978. NE: Schenk, Christoph Das Werk ist urheberrechtlich geschiltz!. Die dadurch begrtindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege nod der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, 3uch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfaltigungen fur gewerbliche Zwecke ist gemiib 54 UrhG eine Vergtitung an den Verlag zu zahlen, deren Hohe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969, 1971, 1974, 1976 and 1978 Ursprunglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1978. Softcover reprint of the hardcover 4th edition 1978 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt 3uch ohoe besondere Kennzeiehnung nieht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeiehen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden diirfteo. Wir iibernebmen auch keine Gewiihr, dab die in diesem Buch enthaltenen Angaben frei von Pateotrechteo sind; durch diese VerofTentliehung wird weder stillsehweigend ooch sonstwie eine Lizenz auf etwa bestehende Patente gewahrt. 2362/3020-543210

V orwort zur vierten 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 tiberall 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 Grundlagen 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 Erklarung der physikalischen Vorgange im Halbleiter. Hierzu verweisen wir auf die einschlagige 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 anwendung~orientiert gegliedert. Er soll den in der Praxis stehenden Fachleuten sowie den Studierenden hoherer Semester eine ausfuhrliche und kritische Ubersicht tiber die viewiltigen Schaltungsmoglichkeiten bieten. Dabei steht der Einsatz integrierter Schaltungen im Vordergrund. Bei der Digitaltechnik mub man dem Umstand Rechnung tragen, dab fur viele Anwendungen 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 Vorteil dieser Technik besteht darin, dab ein

VI Vorwort 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 einem ausfiihrlichen Kapitel behandelt. Die Kapitel des zweiten Teils sind so abgefabt, dab sie unabhlingig 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 erlliutert, deren Funktionsrahigkeit anhand eigener Laborversuche tiberprtift wurde. An dieser Stelle danken wir Herrn Prof. Dr. D. Seitzer fiir die Bereitstellung der komfortablen experimentellen Arbeitsmoglichkeiten. Aus den zahlreichen anerkennenden Zuschriften konnten wir entnehmen, dab sich die dritte Auflage sowohl beim Studium als auch in der praktischen Entwicklungsarbeit gut bewlihrt hat. So bleibt uns zu hoffen, dab die vorliegende vierte Auflage dies em Ziel noch besser gerecht wird. Dem Verlag danken wir fiir die gute Ausstattung des Buches und die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Erlangen, im Sommer 1978 U. Tietze Ch. Schenk

Inhalt Teil I. Grundlagen 1 Erklarung der verwendeten Gro8en 1 2 Passive RC- und LRC-Netzwerke 9 2.1 Der TiefpaB 9 2.2 Der HochpaB 14 2.3 Kompensierter Spannungsteiler 17 2.4 Passiver RC-BandpaB 17 2.5 Wien-Robinson-Brucke 19 2.6 Doppel-T -Filter 20 2.7 Schwingkreis 22 3 Dioden 23 3.1 Kennlinien und charakteristische Daten 23 3.2 Z-Dioden 26 3.3 Kapazitatsdioden 27 4 Der Transistor und seine Grundschaltungen 28 4.1 Kennlinien und Kleinsignalparameter 29 4.2 Emitterschaltung 32 4.3 Basisschaltung 49 4.4 Kollektorschaltung, Emitterfolger 50 4.5 Transistor als Konstantstromquelle 53 4.6 Darlington-Schaltung 56 4.7 Differenzverstarker 59 4.8 Messung einiger Kleinsignalparameter 67 4.9 Das Transistor-Rauschen 68 4.1 0 Grenzdaten 73 5 F eldeffekttransistoren 77 5.1 Klassifikation. 77 5.2 Kennlinien und Kleinsignalparameter 78 5.3 Grenzdaten 81

VIII Inhaltsverzeichnis 6 5.4 Grundschaltungen 5.5 Fet als Konstantstromquelle 5.6 Fet-Differenzverstlirker 5.7 Fet als steuerbarer Widerstand Der Operationsverstiirker 6.1 Eigenschaften eines Operationsverstlirkers 6.2 Prinzip der Gegenkopplung 6.3 Nicht-invertierender VersHirker 6.4 Invertierender VersHirker 81 87 89 91 93 93 100 103 106 7 8 Innerer Aufbau von Operationsverstiirkern 7.1 Prinzipielle Gesichtspunkte 7.2 Einfachste AusfUhrung 7.3 Integrierte Standard-Operationsverstarker 7.4 Freq uenzgang-korrektur 7.5 Messung von Operationsverstarker-Daten Einfache Kippschaltungen 8.1 Der Transistor als Schalter 8.2 Bistabile Kippschaltung 8.3 Monostabile Kippschaltung 8.4 Astabile KippschaItung 109 109 110 111 115 125 128 128 132 135 136 9 Logische Grundschaltungen 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Integrierte Flip-Flops Halbleiterspeicher 138 138 141 145 147 162 170 10 Optoelektronische Bauelemente 10.1 Photometrische Grundbegriffe 10.2 Photowiderstand 10.3 Photodiode.. 10.4 Phototransistor 10.5 Leuchtdioden 10.6 Optokoppler 180 180 182 184 185 187 188

Inhaltsverzeichnis IX Teil II. Anwendungen 11 Lineare und nichtlineare AnalogrechenschaItungen 189 11.1 Addierer 189 11.2 Subtrahierer 190 11.3 Bipolares Koeffizientenglied 194 11.4 Integratoren 195 11.5 Differentiatoren 201 11.6 Losung von Differentialgleichungen 204 11.7 Funktionsnetzwerke 206 11.8 Analog-M ultiplizierer 222 11.9 Koordinatentransformation 236 12 Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter 239 12.1 Spannungsgesteuerte Spannungsquellen 239 12.2 Stromgesteuerte Spannungsquellen 240 12.3 Spannungsgesteuerte Stromquellen 242 12.4 Stromgesteuerte Stromquellen 254 12.5 Der NIC (Negative Impedance Converter) 255 12.6 Der Gyrator 258 12.7 Der Zirkulatcrr. 262 13 Aktive Filter 266 13.1 Theoretische Grundlagen von TiefpaBfiltern 266 13.2 TiefpaB-HochpaB-Transformation 288 13.3 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 1. Ordnung 289 13.4 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 2.0rdnung.' 293 13.5 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern hoherer Ordnung 299 13.6 TiefpaB-BandpaB-Transformation. 302 13.7 Realisierung von BandpaBfiltern 2. Ordnung. 307 13.8 TiefpaB-Bandi)perren-Transformation 312 13.9 Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung 314 13.10 AllpaB-Filter 317 13.11 Einstellbare Universal filter 322 14 Breitbandverstarker 327 14.1 Frequenzabhangigkeit der Stromverstarkung 327 14.2 EinfluB von Transistor- und Schaltkapazitaten 329

X Inhaltsverzeichnis 14.3 Kaskodeschaltung 331 14.4 Differenzverstarker als Breitbandverstarker 332 14.5 Symmetrische Breitbandverstarker 333 14.6 Breitband-Spannungsfolger 339 14.7 Breitband-Operationsverstarker 341 15 Leistungsverstiirker 344 15.1 Emitterfolger als Leistungsverstarker 344 15.2 Komplementare Emitterfolger 346 15.3 Elektronische Strombegrenzung 352 15.4 Komplementare Emitterfolger mit Darlington- Schaltungen.. 355 15.5 Dimensionierung einer Leistungsendstufe 356 15.6 Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstarkung 359 15.7 Erhohung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstarker 362 16 Stromversorgung 364 16.1 Eigenschaften von Netztransformatoren 364 16.2 N etzgleichrichter 365 16.3 Serienstabilisierung 370 16.4 Erzeugung der Referenzspannung 383 16.5 Schaltnetzgerate 390 17 Analogschalter und Komparatoren 397 17.1 Prinzip 397 17.2 Elektronische Schalter 397 17.3 Analogschalter mit Verstarkern 404 17.4 Abtast-Halte-Glieder 407 17.5 Komparatoren 411 17.6 Schmitt-Trigger 413 18 Signalgeneratoren 419 18.1 L C-Oszillatoren 419 18.2 Quarzoszillatoren 427 18.3 R C -Sin us-oszilla toren 431 18.4 Funktionsgeneratoren 439 18.5 Multivibratoren 444 19 Schaltnetze (Kombinatorische Logik) 454 19.1 Kodierschaltungen 455 19.2 Multiplexer und Demultiplexer 466

Inhaltsverzeichnis XI 19.3 U ngetaktetes Schieberegister 468 19.4 Komparatoren 470 19.5 Addierer 472 19.6 Multiplizierer 484 19.7 Digitale Funktionsnetzwerke 487 20 Schaltwerke (Sequentielle Logik) 491 20.1 Dualzahler 492 20.2 BCD-Zahler im 8421-Code 501 20.3 V orwahlzahler 505 20.4 Schieberegister 506 20.5 Erzeugung von pseudozufalligen Binarfolgen 509 20.6 Aufbereitung asynchroner Signale 512 20.7 Systematischer Entwurf von Schaltwerken 517 21 ~ikroprozessoren 526 21.1 Grundstruktur eines Mikrocomputers 526 21.2 Arbeitsweise eines Mikroprozessors 527 21.3 Befehls-Satz. 533 21.4 Entwicklungshilfen 547 21.5 Mikrocomputer-Hardware 551 21.6 Ein-/ Ausgabe-Schaltungen 559 21.7 Minimal-Systeme 568 22 Digitale Filter 576 22.1 Abtasttheorem 576 22.2 Digitale Ubertragungsfunktion 580 22.3 Bilineare Transformation 583 22.4 Realisierung von Digitalfiltem 587 23 Dateniibertragung und -anzeige 598 23.1 Verbindungsleitungen 598 23.2 Datensicherung 600 23.3 Statische Digitalanzeigen 607 23.4 Multiplexanzeigen 611 24 DA- und AD-Wandler 615 24.1 Schaltungsprinzipien von DA-Wandlem 615 24.2 AusfUhrung von DA-Wandlem mit elektronischen Schaltem. 620 24.3 DA-Wandler fur spezielle Anwendungen 625 24.4 Grundprinzipien der AD-Wandlung 631

XII Inhaltsverzeichnis 24.5 Genauigkeit von AD-Wandlern 24.6 Ausftihrung von AD-Wandlern 25 Me8schaltungen 25.1 Spannungsmessung 25.2 Strommessung 25.3 Me13g1eichrichter (AC/DC-Converter) 26 Elektronische Regier 26.1 Grundlagen 26.2 Regler-Typen 26.3 Regelung nichtlinearer Streck en 26.4 Nachlaufsynchronisation (PLL) 632 635 647 647 652 654 670 670 671 680 683 27 Anhang 697 Anschriften einiger Halbleiter-Hersteller und Distributoren 697 Literatur 701 Sachverzeichnis 705