U. Tietze Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Neunte, neu bearbeitete und erweiterte Auflage Mit 1166 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1989
Dr.-Ing. Ulrich Tietze Wissenschaftlicher Mitarbetter am Lehrstuhl ftir TechmM.:he Elektronik der Universitiit Erlangen-Ntirnberg Cauerstr. 9, 8520 Erlangen Dr.-Ing. Christoph Schenk Geschiiftsfiihrender Gesellschafter der Dr. Schenk GmbH, lndustriemesstechnik, Bunsenstr. 4 a, 8033 Martinsried/M iinchen Obersetzt in folgende Sprachen: Polnisch: Naukowo-Techniczne, Warschau 1976,1987 Ungarisch: Miiszaki, Budapest 1974, 1981 Russisch: Mir, Moskau 1982 Spanisch: Marcombo, Barcelona 1983 Chinesisch: 1985 ISBN 978-3-662-11942-6 CJP-Tttelaufnahme der Deutschen B1bhothck Tzet;;e, U/r~ch Halblelter-Schaltungstcchmk IV. TICtze: Ch. Schenk.- 9. ncu bearb. u. crw. Auf!. ISBN 978-3-662-11942-6 ISBN 978-3-662-11941-9 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-11941-9 NE Schenk. Chri toph: D1eses Werk ist urheberrechthch geschutzt. D1e dadurch begrundeten Recht e. m bc onderc d1e der Ubcr.etlUng. de Nachdrucks. des Vortrag. der Entnahme von Abb1ldungen und Tabellen. dcr Funk cndung. der M krovcrfilmung oder der VervJelf3ltigung auf anderen Wegen und der Spc1cherung m Datenverarbenung,anlagen. bleiben. auch bel nur auszugswei~er Verwertung. vorbehalten. Eine Verv1clfaltlgung dic!\e' Wcrkc~ odcr von Tellen d1e!.es Werkes i~t auch 1m Emzelfall nur m den Grenzen der gc~tzhchcn Bc~t mmungen de' Urhebcrrcch"gesetze< der Bunde>repubhk Deutschland vom 9. September 1965 m dcr Fa'"'"!!. vom 24. Jum 19X5 zula,. Slg. S1e ist grundsatzhch vcrgutung pfhcht1g. Zuw1derhandlungen unterhegen den Suatbcst mmungen de, Urheberrechtsge etze. Springer-Verlag Berlin He1delberg 1969, 1971. 1974, 1976,1978, 1980, 1983. 1985. 1986 and 1989 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin He1delberg New York 1989 Softcover reprint of the hardcover 9th edition 1989 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamcn. Handelsnamen, Warenbeze1chnungen usw. m dicsem Wcrk berecht1gt auch ohne besondere Kennzeichnung mcht zu der Annahme. dab solche Namen im Smne der Warenze1chen- und Markenschutz.Qesetzgebung als fre1 zu betrachten warcn und daher von Jedcrmann benutzt werden durften Sollie in d1esem Werk direkt oder md1rekt auf Gesetze, Vorschriften oder R1chthmen (z B DIN, VOl, VDE) Bezug genommen oder aus 1hnen ziuert worden sem. so kann der Verlag keine Gewahr fur R chugkell, Vollstand gkelt oder Aktualitat tibernehmen. Es cmpfiehlt sich. gcgebenenfalls ffir die eigenen Arbeiten d1e vollstand gen Vorschnften oder Richthnien m der Jeweils giiltigen Fassung hmzuzuz1ehen W1r tibemchmen auch kente Gewihr, dab d1e m dtesem Buch enthaltcnen Angaben fre1 von Patentrechten smd, durch diese Verdft'entbchung w1rd weder stillschwe1gend noch sonstw1e cine L1zenz aur etwa bestehendc Patente gewahrt Satz H Stiirtz AG. Wiirzburg, und H. Hagedorn GmbH & Co, Berlm 2362/3020-543210- Gedruckt auf saurefre1em Pap1er
Vorwort zur oeuoteo Auflage Wir freuen uns, dab der rasche Verkauf der achten Auflage uns die Moglichkeit gibt, das Buch in verbesserter Form neu herauszugeben. Die starke Verbreitung der Sensoren in den letzten Jahren hat uns veranlabt, ihren Einsatz in einem neuen Kapitel Sensorik zu behandeln. Dabei haben wir uns bemiiht, nicht nur die spezifischen Eigenheiten einiger Sensoren darzustellen, sondern allgemeine Gesichtspunkte fur die Betriebsschaltungen hinsichtlich Eichung, Linearisierung, Digitalisierung und storsicherer Ubertragung herauszuarbeiten. Eine wesentliche Uberarbeitung hat das Kapitel Digitalfilter erfahreno Hier haben wir die immer wichtiger werdenden FIR-Filter aufgenommen, deren Realisierung durch eine Palette an hochintegrierten Bausteinen immer anwenderfreundlicher wird. 1m Kapitel Halbleiterspeicher wurde der Abschnitt iiber programmierbare Logik-Schaltungen (PLDs) wesentlich erweitert. Dadurch soli der stiirmischen Entwicklung auf dem Gebiet der anwenderspezifischen Schaltungen (ASICs) Rechnung getragen werden. Wir wollen hier den Leser dazu anregen, ein ganzes "TTL-Grab" durch ein einziges PLD zu ersetzen, und gleichzeitig zeigen, dab der Entwurf dabei sogar schneller gehen kann, wenn man die entsprechenden Entwurfsprogramme einsetzt. Eine Reihe weiterer niitzlicher Erweiterungen, wie z. B. die SC Filter und die Transimpedanz- Verstiirker sind im Inhaltsverzeichnis mit einem * gekennzeichnet. Natiirlich haben wir auch bei dieser Auflage alle Tabellen auf den neuesten Stand gebracht und damit sichergestellt, dab das Buch auch seine Funktion als Nachschlagewerk weiterhin uneingeschrankt erfullen kann. Die Aufnahme einiger Werbeseiten am SchluB des Buches soli einerseits den Leser mit namhaften Lieferanten fur elektronische Bauelemente vertraut machen und andererseits helfen, den Preis des Buches trotz des gestiegenen Umfangs konstant zu halten. Wie wir wissen, gibt es eine Vielzahl von ausliindischen Interessenten an unserem Buch. Sie werden auf die mannigfaltigen Obersetzungen hingewiesen, die auf der Impressum-Seite aufgefiihrt sind. Da praktisch alle, 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 eine vollstandige
VI Vorwort zur neunten Auflage Obersetzung der 9. Auflage, die unter dem Titel Electronic Circuit Design im 1. Quartal1989 beim Springer-Verlag erscheint. Herrn Rolf Kapust danken wir fur die DurchfUhrung der rechenintensiven FIR-Filter-Dimensionierung und die Mitarbeit bei den SC Filtern. Fiir die zahlreichen Hinweise aus dem Leser- und Kollegenkreis sind wir sehr dank bar. Wir werden uns bemiihen, mit Hilfe dieser bewiihrten Riickkopplung eine stetige Weiterverbesserung unseres Buches zu erreichen. Erlangen und M iinchen, im Oktober 1988 U. Tietze Ch. Schenk
Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1 Erklarung der verwendeten Grimen 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-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 Basisschal tung 55 4.5 Kollektorschaltung, Emitterfolger 56 4.6 Transistor als Konstantstromquelle 59 4.7 Darlington-Schaltung 64 4.8 DifTerenzversHirker 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
VIII Inhaltsverzeichnis 5.4 Grundschaltungen 89 5.5 Fet als Konstantstromquelle 94 5.6 F et -Differenzverstarker 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 Phototransistor. 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 KippschaItungen mit emittergekoppeiten 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 SchaItungstechnische Realisierung der Grundfunktionen. 201 9.5 Verbindungsleitungen 221 9.6 Kombinatorische Logik (Schaltnetze) 224 9.7 Abhangigkeitsnotation. 229
Inhaltsverzeichnis IX 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 nichtiineare Analogrechenschaltungen 314 12.1 Addierer. 314 12.2 Subtrahierer. 315 12.3 Bipolares Koeffizientenglied 319 12.4 Integratoren. 320 12.5 Differentiatoren. 326 12.6 Losung von Differentialgleichungen 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
X lnhaltsverzeichnis 14.3 Realisierung von Tief- und Hochpal3filtern 1. Ordnung. 414 14.4 Realisierung von Tief- und Hochpal3filtern 2.0rdnung. 416 14.5 Realisierung von Tief- und Hochpal3filtern h6herer Ordnung 421 14.6 Tiefpal3-Bandpal3-Transformation. 424 14.7 Realisierung von Bandpal3filtern 2. Ordnung 429 14.8 Tiefpal3-Bandsperren -Transformation 434 14.9 Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung 435 14.10 Allpiisse. 438 14.11 Einstellbare Universalfilter. 443 14.12 Switched-Capacitor-Filter*. 450 15 Signalgeneratoren 458 15.1 L C-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 Frequenzabhiingigkeit der Stromverstiirkung 488 16.2 Einflul3 von Transistoren und Schaltkapazitiiten 490 16.3 Kaskodeschaltung 492 16.4 Differenzverstiirker als Breitbandverstiirker 493 16.5 Symmetrische Breitbandverstiirker. 494 16.6 Breitband-Spannungsfolger. 500 16.7 Breitband-Operationsverstarker. 502 16.8 Transimpedanz-Verstiirker*. 504 16.9 Breitband-Verbundverstiirker 508 17 Leistungsverstarker. 511 17.1 Emitterfolger als Leistungsverstiirker. 511 17.2 Komplementiire Emitterfolger. 513 17.3 Komplementiire Darlington-Schaltungen 519 17.4 Komplementiire Sourcefolger. 521 17.5 Elektronische Strombegrenzung. 523 17.6 Vier-Quadranten-Betrieb. 525 17.7 Dimensionierung einer Leistungsendstufe. 527 17.8 Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstiirkung. 530
I nhal tsverzeichnis XI 18 19 20 21 17.9 Erhohung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstarker.......... Stromversorgung. 18.1 Eigenschaften von Netztransformatoren 18.2 N etzgleichrichter 18.3 Lineare Spannungsregler. 18.4 Erzeugung der Referenzspannung 18.5 Schaltnetzgerate 18.6 Sekundargetaktete Schaltregler 18.7 Primargetaktete Schaltregler Digitale Rechenschaltungen 19.1 Zahlendarstellung. 19.2 Code-U msetzer. 19.3 Schiebelogik (Barrel Shifter) 19.4 Komparatoren 19.5 Addierer. 19.6 Multiplizierer. 19.7 Digitale Funktionsnetzwerke Mikrocomputer-Grundlagen. 20.1 Grundstruktur eines Mikrocomputers 20.2 Arbeitsweise eines Mikroprozessors 20.3 Befehls-Satz 20.4 Entwicklungshilfen 20.5 Typenubersicht. 20.6 Minimal-Systeme. Modularer Aufbau von Mikrocomputern 21.1 Mikroprozessor-Pia tine 21.2 Speicher-Platine 21.3 Programmierung von EPROMs. 21.4 Parallele Schnittstelle 21.5 Serielle Schnittstelle. 21.6 IEC-Bus-Schnittstelle 21.7 Programmierbarer Zahler 21.8 Interrupt-Controller. 21.9 Direkter Speicherzugriff (DMA). 21.10 Arithmetik-Prozessor 21.11 Datenausgabe auf Anzeigeeinheiten 532 534 534 535 542 555 561 563 571 587 587 595 601 603 605 613 618 622 622 624 631 645 650 656 666 666 671 675 678 682 695 700 702 704 707 712
XII Inhaltsverzeichnis 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 Verstiirkern 743 22.4 Abtast -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 AusfUhrung von AD-Umsetzern. 774 24 Digitale Filter* 791 24.1 Abtasttheorem 792 24.2 Digitale Ubertragungsfunktion 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 (ACjDC-Converter) 866 26 Seosorik*. 886 26.1 Temperaturmessung. 889 26.2 Druckmessung. 908 26.3 Feuchtemessung 920
Inhaltsverzeichnis 26.4 Obertragung 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 del' 7400-Logik-Familien* 28.3 Normwert-Reihen. 28.4 Farbcode Literatur Verzeichnis der Tabellen fiber integrierte Schaltungen. Sachverzeichnis................ XIII 925 931 940 940 941 951 954 968 968 976 996 997 999 1007 1009 * neu bzw. neu bearbeitet