Halbleiter-Schaltungstechnik

U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Zehnte Auflage Mit 1166 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Dr.-Ing. Ulrich Tietze Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl fiir Technische Elektronik der Universităt Erlangen-Niirnberg Cauerstr. 9, 91058 Erlangen Dr.-Ing. Christoph Schenk Geschăftsfiihrender Gesellschafter der Dr. Schenk GmbH, Industriemesstechnik, Einsteinstr. 37, 82152 Martinsried/Miinchen Ubersetzt in fojgende Sprachen: PoJnisch: Naukowo-Techniczne, Warschau 1976, 1987 Ungarisch: Miiszaki, Budapest 1974, 1981, 1990 Russisch: Mir, Moskau 1982 Spanisch: Marcombo, BarceJona 1983 Chinesisch: 1985 Englisch (Kurzfassung): Springer, Berlin, Heidelberg, New York 1978 Englisch (voilstăndige Fassung): Springer, Berlin, Heidelberg New York 1991 ISBN 978-3-662-07640-8 Die Dcutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Tielze, Ulrich: Halbleiter-SchaltungstechniklU. Tietze; Ch. Schenk. - 10. Aufl. ISBN 978-3-662-07640-8 ISBN 978-3-662-07639-2 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-07639-2 NE: Schenk, Christoph: Dicses Werk ist urheberrechtlich geschiitzt. Die dadurch begrtincteten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmuog oder der Vcrvielfăltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenvcrarbeitungsanlagcn, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfăltigung dieses Werkcs oder von Teilen dieses Wcrkcs ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zu Iăssig. Sie ist grundsatzlich vergtitungspflichtig. Zuwiderhandlungcn unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrcchtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969, 1971, 1974, 1976, 1978, 1980, 1983, 1985. 1986, 1989, 1990, 1991 and 1993 Ursprunglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1993 Softcover reprint of the hardcover t Oth edition 1993 Die Wiedergabe van Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ahne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dab solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher van jedcrmann benutzt werden dtirften. Sollte in diesern Werk direkt oder indirckt auf Gesetze, Vorschriftcn oder RichtJinien (z. B. DIN, VDl, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, sa kann der Verlag keine Gewahr fiir Richtigkeit, Vollstandigkeit oder Aktualităt tibernehmen. Es empfiehlt sich, gegcbenenfalls fiir die eigenen Arbeiten die vollstăndigcn Vorschriften oder Richtlinien in der jcweils giiltigen Fassung hinzuzuziehen. Wir libernehmen auch keine Gewahr, dab die in diesem Buch enthaltenen Angaben frei van Patentrechten sind; durch diese Verbffentlichung wird weder stillschweigend noch sonstwie eine Lizenz auf etwa bestehende Patente gewăhrt. Satz: Universitatsdruckerei H. Stiirtz AG, Wtirzburg 62/3020-5 4 3 2 - Gedruck! auf saurefreiem Papier

Vorwort zur zehnten Auflage Das V ordringen der Elektronik in immer weitere Gebiete von Wissenschaft und Technik ist unaufhaltsam. Sie beschrankt sich schon lange nicht mehr auf Nachrichtentechnik und Datenverarbeitung al1ein, sondern ist iiberall dort, wo es etwas zu messen oder zu regeln gilt, unentbehrlich geworden. Dabei geht der Trend dahin, aufwendige und unflexible mechanische Losungen durch eine Kombination von Sensoren, Aktoren und einem elektronischen Steuergerat zu ersetzen. Durch simple Anderungen des Steuerprogramms ist eine solche Anordnung ohne Anderung der Hardware an die verschiedensten Aufgabenstellungen anzupassen. Auf diesem Prinzip beruht ein grober Teil der in der jiingsten Vergangenheit erzie1ten Fortschritte im Bereich des Maschinenbaus und der Feinwerktechnik. Diese Entwicklung bringt es mit sich, dab ein immer grober werdender Kreis von Wissenschaftlern und Technikern sich zwangslaufig mit dem Gebiet der Elektronik befassen mub. An dieser Stelle soll das vorliegende Buch helfen. Es wurde so konzipiert, dab Naturwissenschaftler und Studierende der Hoch- und Fachschulen eine Einfiihrung in die Halbleiterschaltungstechnik finden. Dariiberhinaus soll es jedoch allen interessierten Technikern die Moglichkeit bieten, sich auch in Teilbereiche schnell und sicher einarbeiten zu konnen. Zu diesem Zweck wurde das Buch in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil hat einfiihrenden Charakter und entspricht in seinem Umfang einem 2-semestrigen Einfiihrungskurs in die Schaltungstechnik. Dabei gehen wir von der Beschreibung des elektrischen Verhaltens der Baue1emente aus und verzichten bewubt auf die Darstellung der Halbleiterphysik. AuBerdem vernachlassigen wir grundsatzlich alle untergeordneten EfTekte, urn die wesentlichen Funktionsprinzipien herauszuarbeiten. Fiir den kreativen Schaltungsentwurf ist die Kenntnis dieser Grundprinzipien sehr viel wichtiger als die Aufstellung sehr genauer mathematischer Modelle. Zur exakten Schaltungsanalyse konnen dann Simulationsprogramme wie SPICE niitzlich sein, die so manchen Schaltungsaufbau iiberfliissig machen. Angesichts der groben Fertigungstoleranzen von Halbleiterbauelementen ist es jedoch besonders wichtig, Schaltungen zu entwickeln, die von vornherein unempfindlich gegen Streuungen der Bauelemente-Parameter sind. Hierauf wurde bei der Konzeption des vorliegenden Buches besonderer Wert gelegt.

VI Vorwort zur zehnten Auflage Die Entwiekung digitaler Schaltungen besteht schon Hingst nicht mehr darin, verschiedene Bausteine der 7400-Familie zusammenzuloten. Heutzutage lassen sich viele Bausteine durch ein einziges PLD (Programmable Logic Device) ersetzen, das man fur die spezielle Aufgabe programmiert. Diese V orgehensweise ist so popular geworden weil die Entwurfssoftware fur billige PCs erhaltlich ist und die Programmierung in Minuten erfolgt. Natiirlich entwirft man dabei Funktionseinheiten wie Multiplexer, Zahler und Schieberegister nieht zu FuB, sondern entnimmt sie der im Computer gespeicherten Bibliothek. Aus diesem Grund ist es nach wie vor zweckmabig in Funktionseinheiten zu denken. Der grobe Vorteil ist, dab man aueh hier manchen Prototyp einsparen kann, da die Entwurfsprogramme meist aueh eine Sehaltungssimulation ermoglichen. Der zweite Teil des Buehes wurde naeh anwendungsorienierten Gesichtspunkten gegliedert, aile Kapitel wurden so geschrieben, dab sie fiir sich alleine mit einem Minimum an Querverweisen gelesen werden konnen. Jedes Kapitel gibt einen kritischen und detaillierten Uberbliek iiber die versehiedenen Losungsmoglichkeiten fur eine gegebene Aufgabenstellung. Um den Leser in die Lage zu versetzen, mogliehst schnell von der Idee zu der funktionierenden Schaltung zu gelangen, haben wir nur solche Losungen vorgestellt, die in der Praxis erprobt sind. In vielen Fallen haben wir zusatzlieh vollshindig dimensionierte Beispiele angegeben. Sie sollen den Leser ermutigen, selbst mogliehst ohne Umschweife zur Realisierung zu schreiten. Die Verifikation und Variation dieser Beispiele vermittelt rasch die notige Sicherheit. Um dem Leser das frustrierende Erlebnis zu ersparen, dab trotz korrekten Sehaltungsaufbaus das gewiinschte Ergebnis nieht erzielt wird, haben wir alle dimensionierten Beispiele in unserem Labor selbst erprobt. Die Vielzahl positiver Riiekmeldungen hat uns gezeigt, dab sieh diese Miihe gelohnt hat. Verfolgt man die Veroffentliehungen auf dem Gebiet der Elektronik, so gewinnt man den Eindruek, dab die Analog-Schaltungsteehnik stark zugunsten digitaler Losungen in den Hintergrund gedrangt wird. Wir haben uns bemiiht, beide Bereiche gleiehberechtigt darzustellen. Man darf nieht iibersehen, dab unsere Welt von Hause aus analog aufgebaut ist. Deshalb ist zur Bearbeitung jeder realen Aufgabenstellung zumindest ein geeignetes Interface erforderlich, bei des sen Implementierung nach wie vor solide Kenntnisse der Analog-Sehaltungsteehnik erforderlieh sind. Es darf aueh nieht iibersehen werden, dab Digitalsignale letztendlich in Form realer Impulse iibertragen werden miissen und dabei oft ein reges Eigenleben entwiekeln, ohne dessen Beherrschung komplexe Digitalschaltungen nicht funktionieren konnen. Viele DigitalschaItungen entpuppen sich bei genauerem Hinsehen als wahre Zufallsgeneratoren, bedingt durch Laufzeiteffekte oder Impulsvervielfaehung

Vorwort zur zehnten Auflage VII durch Reflexionen. Aus den genannten Grunden haben wir uns bemuht, diese Aspekte in den einzelnen Kapiteln gebuhrend zu berucksichtigen. Aufgrund der Tatsache, dab fur viele Standardaufgaben zum Teil hochkomplexe integrierte Schaltungen zur VerfUgung stehen, reduziert sich die Schaltungsentwicklung hiiufig darauf, wenige geeignete Bausteine zu kombinieren. Hierzu ist es erforderlich, die umfangreichen Datenbucher der verschiedensten Hersteller zu studieren. Urn dem Leser den Einstieg zu erleichtern, haben wir deshalb in den einzelnen Kapiteln Beispiele fur die aktuellen Bausteine in Tabellen zusammengesteilt. Sie werden regelmiibig uberarbeitet und sind auch in der vorliegenden 10. Auflage wieder auf den neusten Stand gebracht worden. Selbstverstiindlich kann es sich hierbei urn keine voilstiindige Ubersicht handeln. Sie soli dem Leser jedoch verdeutlichen, welche Daten beachtet werden mussen und welche HersteIler auf den verschiedenen Gebieten aktiv sind. Aus diesem Grund ist im Anhang ein Verzeichnis von HersteIlern und Distributoren aufgenommen. Aus der digitalen Schaltungswelt ist der Mikro-Computer heute nicht mehr wegzudenken. Hieruber gibt es eine fast nicht mehr uberschaub are Flut von Spezialliteratur, so dab der Neuling auf dies em Gebiet Schwierigkeiten hat, den richtigen Einstieg zu finden. Urn hier Hilfestellung zu leisten, haben wir uns im vorliegenden Buch auf die Beschreibung des, zugegebenermaben bereits betagten, Mikroprozessors 6800 beschriinkt. Er enthiilt aile grundlegenden Funktionen und ist aufgrund seiner einfachen Struktur fur das einfuhrende Studium besonders geeignet. Aufgrund der verhiiltnismiibig kleinen Zahl von Anschlussen ist er auberdem fur erste Gehversuche bei der Hardware Realisierung empfehlenswert. Auf dieser soliden Basis ist die Erweiterung der Kenntnisse auf neuere komplexe Typen mit 16 oder 32 Bit Datenbus nicht mehr besonders schwierig. Die jeweilige Typenubersicht enthiilt selbstverstiindlich auch die neuesten hochkomplexen Bausteine einschlieblich der Single-Chip Mikrocomputer. Wie wir wissen, gibt es eine Vielzahl von ausliindischen Interessenten an unserem Buch. Sie werden auf die mannigfaltigen Ubersetzungen hingewiesen, die auf der Impressum-Seite aufgefuhrt sind. Da praktisch aile, die mit Elektronik zu tun haben, Englisch verstehen, mochten wir in diesem Zusammenhang besonders auf die neue englische Ausgabe hinweisen. Es handelt sich dabei urn die voilstiindige Ubersetzung der neunten Auflage, die unter dem Titel Electronic Circuits, Design and Applications, 1991 beim Springer-Verlag erschienen ist. Fur die zahlreichen Hinweise aus dem Leser- und KoIlegenkreis sind wir sehr dankbar. Wir werden uns bemuhen, mit Hilfe dieser bewahrten Ruckkopplung eine stetige Weiterverbesserung unseres Buches zu erreichen. Erlangen und Munchen, im Januar 1993 U. Tietze Ch. Schenk

Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1 ErkHirung der verwendeten GroBen 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 R C-BandpaB. 17 2.5 Wien-Robinson-Briicke 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 KapaziHitsdioden. 27 4 Bipolartransistoren. 28 4.1 Kennlinien und Kleinsignalparameter 29 4.2 Grenzdaten 33 4.3 Emitterschaltung 38 4.4 Basisschaltung 55 4.5 Kollektorschaltung, Emitterfolger 56 4.6 Transistor als Konstantstromquelle 59 4.7 Darlington-Schaltung 64 4.8 Differenzverstarker 66 4.9 Messung einiger Transistorparameter 76 4.10 Das Transistor-Rauschen. 78 5 Feldeffekttransistoren. 83 5.1 Klassifikation 83 5.2 Kennlinien und Kleinsignalparameter 85 5.3 Grenzdaten 88

Inhaltsverzeichnis IX 5.4 Grundschaltungen 89 5.5 Fet als Konstantstromquelle 94 5.6 F et -DifferenzversHirker 97 5.7 Fet als steuerbarer Widerstand 99 6 Optoelektronische Bauelemente. 102 6.1 Photometrische Grundbegriffe 102 6.2 Photowiderstand 104 6.3 Photodiode 106 6.4 Photo transistor. 108 6.5 Leuchtdioden 109 6.6 Optokoppler. 110 6.7 Optische Anzeige 111 7 Operationsverstarker. 122 7.1 Eigenschaften eines Operationsverstarkers 122 7.2 Prinzip der Gegenkopplung 129 7.3 Nicht-invertierender Verstarker. 132 7.4 Invertierender Verstarker. 135 7.5 Innerer Aufbau von Operationsverstarkern 137 7.6 Integrierte Standard-Operationsverstarker 140 7.7 Frequenzgang-Korrektur. 143 7.8 Messung von Operationsverstarker-Daten 157 7.9 Typeniibersicht. 158 8 Kippschaltungen 164 8.1 Der Transistor als digitales Bauelement. 164 8.2 Kippschaltungen mit gesattigten Transistoren 168 8.3 Kippschaltungen mit emittergekoppe1ten Transistoren. 174 8.4 Kippschaltungen mit Gattern. 176 8.5 Kippschaltungen mit Komparatoren. 180 9 Logische Grundschaltungen 192 9.1 Die logischen Grundfunktionen. 192 9.2 Aufstellung logischer Funktionen 196 9.3 Abgeleitete Grundfunktionen. 200 9.4 Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen. 201 9.5 Verbindungsleitungen 221 9.6 Kombinatorische Logik (Schaltnetze) 224 9.7 Abhangigkeitsnotation. 229

X Inhaltsverzeichnis 10 Schaltwerke (Sequentielle Logik) 232 10.1 Integrierte Flip-Flops 232 10.2 Dualzahler. 240 10.3 BCD-Zahler im 8421-Code. 249 10.4 Vorwahlzahler 252 10.5 Schieberegister. 253 10.6 Aufbereitung asynchroner Signale 255 10.7 Systematischer Entwurf von Schaltwerken 261 11 Halbleiterspeicher 271 11.1 Schreib-Lese-Speicher (RAM). 273 11.2 RAM -Erweiterungen 282 11.3 Festwertspeicher (ROM)... 293 11.4 Programmierbare logische Bauelemente (PLD) 302 Teil II. Anwendungen 12 Lineare und nichtlineare Analogrechenschaltungen 314 12.1 Addierer. 314 12.2 Subtrahierer. 315 12.3 Bipolares Koeffizientenglied 319 12.4 Integratoren. 320 12.5 DifTerentiatoren. 326 12.6 L6sung von DifTerentialgleichungen 329 12.7 Funktionsnetzwerke. 331 12.8 Analog-M ultiplizierer 348 12.9 Koordinatentransformation 361 13 Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter. 364 13.1 Spannungsgesteuerte Spannungsquellen 364 13.2 Stromgesteuerte Spannungsquellen 365 13.3 Spannungsgesteuerte Stromquellen 367 13.4 Stromgesteuerte Stromquellen. 379 13.5 Der NIC (Negative Impedance Converter) 380 13.6 Der Gyrator. 383 13.7 Der Zirkulator 387 14 Aktive Filter. 391 14.1 Theoretische Grundlagen von TiefpaBfiltern. 391 14.2 TiefpaB-HochpaB-Transformation. 413

Inhaltsverzeichnis XI 14.3 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 1. Ordnung.............. 414 14.4 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern 2. Ordnung.............. 416 14.5 Realisierung von Tief- und HochpaBfiltern h6herer Ordnung............... 421 14.6 TiefpaB-BandpaB-Transformation..... 424 14.7 Realisierung von BandpaBfiltern 2. Ordnung 429 14.8 TiefpaB-Bandsperren-Transformation. 434 14.9 Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung 435 14.10 Allpasse........ 438 14.11 Einstellbare Universalfilter 443 14.12 Switched-Capacitor-Filter 450 15 Signalgeneratoren... 458 15.1 LC-Oszillatoren. 458 15.2 Quarzoszillatoren. 466 15.3 Wien-Briicken-Oszillatoren. 472 15.4 Analogrechner-Oszillatoren. 476 15.5 Funktionsgeneratoren. 479 16 Breitbandverstarker..... 488 16.1 Frequenzabhangigkeit der Stromverstarkung. 488 16.2 EinfluB von Transistor- und Schaltkapazitaten 490 16.3 Kaskodeschaltung.......... 492 16.4 Differenzverstarker als Breitbandverstarker 493 16.5 Symmetrische Breitbandverstarker. 494 16.6 Breitband-Spannungsfolger... 500 16.7 Breitband-Operationsverstarker. 502 16.8 Transimpedanz-Verstarker.. 504 16.9 Breitband-Verbundverstarker. 508 17 Leistungsverstarker........ 511 17.1 Emitterfolger als Leistungsverstarker. 511 17.2 Komplementare Emitterfolger.... 513 17.3 Komplementare Darlington-Schaltungen 519 17.4 Komplementare Sourcefolger.. 521 17.5 Elektronische Strombegrenzung..... 523 17.6 Vier-Quadranten-Betrieb........ 525 17.7 Dimensionierung einer Leistungsendstufe. 527 17.8 Ansteuerschaltungen mit SpannungsversHirkung. 530

XII Inhaltsverzeichnis 17.9 Erh6hung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstarker 532 18 Stromversorgung. 534 18.1 Eigenschaften von Netztransformatoren 534 18.2 Netzgleichrichter 535 18.3 Lineare Spannungsregler. 542 18.4 Erzeugung der Referenzspannung 555 18.5 Schaltnetzgerate 561 18.6 Sekundargetaktete Schaltregler 563 18.7 Primargetaktete Schaltregler 571 19 Digitale Rechenschaltungen 587 19.1 Zahlendarstellung. 587 19.2 Code-U msetzer. 595 19.3 Schiebelogik (Barrel Shifter) 601 19.4 Komparatoren 603 19.5 Addierer. 605 19.6 Multiplizierer. 613 19.7 Digitale Funktionsnetzwerke 618 20 Mikrocomputer-Grundlagen. 622 20.1 Grundstruktur eines Mikrocomputers 622 20.2 Arbeitsweise eines Mikroprozessors 624 20.3 Befehls-Satz 631 20.4 En twickl ungshilfen 645 20.5 Typeniibersicht. 650 20.6 Minimal-Systeme. 656 21 Modularer Aufbau von Mikrocomputern 666 21.1 Mikroprozessor-Platine 666 21.2 Speicher-Platine 671 21.3 Programmierung von EPROMs. 675 21.4 Parallele Schnittstelle 678 21.5 Serielle Schnittstelle. 682 21.6 IEC-Bus-Schnittstelle 695 21.7 Programmierbarer Zahler 700 21.8 Interrupt-Controller. 702 21.9 Direkter Speicherzugriff (DMA). 704 21.10 Arithmetik-Prozessor 707 21.11 Datenausgabe auf Anzeigeeinheiten 712

Inhaltsverzeichnis XIII 21.12 Video-Ausgabe. 715 21.13 Analog-Ein-/Ausgabe 723 21.14 Spezielle Peripherieschaltungen 727 22 Aoalogschalter uod Abtast-Halte-Glieder. 730 22.1 Anordnung der Schalter 730 22.2 Elektronische Schalter. 731 22.3 Analogschalter mit Verstarkern 743 22.4 A btast -Halte-Glieder 745 23 DA- uod AD-Umsetzer. 751 23.1 Grundprinzipien der DA-Umsetzung. 751 23.2 DA-Umsetzer in CMOS-Trechnologie 752 23.3 DA-Umsetzer in Bipolartechnologie. 757 23.4 DA-Umsetzer fur spezielle Anwendungen. 759 23.5 Genauigkeit von DA-Umsetzern 766 23.6 Grundprinzipien der AD-Umsetzung. 769 23.7 Genauigkeit von AD-Umsetzern 770 23.8 Ausfiihrung von AD-Umsetzern. 774 24 Digitale Filter. 791 24.1 Abtasttheorem 792 24.2 Digitale Obertragungsfunktion 798 24.3 Grundstrukturen 803 24.4 Berechnung von FIR-Filtern 807 24.5 Realisierung von FIR-Filtern 829 24.6 Berechnung von IIR-Filtern 833 24.7 Realisierung von IIR-Filtern 842 24.8 Vergleich von FIR- und IIR-Filtern 850 25 Me8schaltuogeo 852 25.1 Spannungsmessung 852 25.2 Strommessung 864 25.3 MeBgleichrichter (AC/DC-Converter) 866 26 Seosorik 886 26.1 Temperaturmessung. 889 26.2 Druckmessung. 908 26.3 Feuchtemessung 920

XIV InhaItsverzeichnis 26.4 Ubertragung von Sensorsignalen 26.5 Eichung von Sensorsignalen 27 Elektronische RegIer 27.1 Grundlagen. 27.2 Regler-Typen. 27.3 Regelung nichtlinearer Strecken. 27.4 Nachlaufsynchronisation (PLL). 28 Anhang..... 28.1 Halbleiter-Hersteller und Distributoren. 28.2 Typen der 7400-Logik-Familien. 28.3 Normwert-Reihen. 28.4 Farbcode Literatur Verzeichnis der Tabellen iiber integrierte Schaltungen. Sachverzeichnis................ 925 931 940 940 941 951 954 968 968 982 1000 1001 1003 1011 1013