U. Tietze' Ch. Schenk Halbleiter-Schaltungstechnik Mit 513 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Ulrich Tietze, 7400 Tiibingen, Bei der Ochsenweide 4 Christoph Schenk, 7031 Magstadt, SchwabstraGe 25 ISBN 978-3-662-00085-4 ISBN 978-3-662-00084-7 (ebook) DOI 10.1007/978-3-662-00084-7 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 1969. UrsprUnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969 Softcover reprint of the hardcover l st edition 1969 Library of Congress Catalog Card Number 76-75374. 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
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
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
1 Erkliirung der verwendeten GroBen Inhaltsverzeichnis 2 Dioden.... 2.1 Kennlinien und charakteristische Daten 2.2 Z- und Avalanche-Dioden.... 3 Gleichrichterschaltungen und passive Stabilisierungsschaltungen 3.1 Einweggleichrichterschaltung...... 3.2 Vollweggleichrichterschaltung..... 3.3 Drehstrom-Briickengleichrichterschaltung 3.4 Spannungsverdoppler......... 3.5 Spannungsvervielfacher........ 3.6 Reihen- und Parallelschaltung von Dioden 3.7 Filterschaltungen............ 3.8 Spannungsstabilisierungsschaltungen mit Z-Dioden 3.9 MeBgleichrichter............... 4 RC- und LRC-Netzwerke 4.1 Der Hochpal3..... 4.2 Der Tiefpal3...... 4.3 Anstiegszeit und Grenzfrequenz 4.4 Weitwinkel-Phasenschieber 4.5 Wien-Briicke 4.6 Wien-Robinson-Briicke 4.7 Doppel-T-Filter.. 4.8 Klangregelschaltung 4.9 Schwingkreis 5 Der Operationsverstiirker 5.1 Eigenschaften eines Operationsverstiirkers 5.2 Umkehrverstiirker, Gegenkopplung... 5.3 Elektrometerverstiirker........ 5.4 Kompensation von Eingangsruhestrom und Offsetspannung 6 Der Transistor 6.1 Beschreibung 6.2 Kennlinien 6.3 Das Transistorrauschen 6.4 Grenzdaten..... 6.5 Messung einiger charakteristischer Daten 5 5 7 9 9 11 13 13 15 16 17 19 23 27 27 33 35 36 37 39 40 41 42 44 44 49 57 61 65 65 66 69 72 75
VI Inhaltsverzeichnis 7 Grundschaltungen... 78 7.1 Emitterschaltung... 78 7.2 Kollektorschaltung, Emitterfolger 91 7.3 Basisschaltung 95 7.4 KaskodeschaItung... 97 7.5 Konstantstromquellen... 99 7.6 Schaltungen zur Erzeugung erdsymmetrischer Wechselspannungen 103 8 Niederfrequenz-Vorverstiirker.. 105 8.1 Z weistufiger NF -V erstarker... 105 8.2 GegengekoppeIter NF-Verstarker 108 8.3 Gegengekoppelter NF-Verstarker flir symmetrische Betriebsspannungen. 109 8.4 NF-Verstarker mit dreistufiger Spannungsverstarkung 110 8.5 NF-Verstarker mit Komplementartransistoren. 112 9 Differenzverstiirker 9.1 Grundschaltung... 9.2 Differenzverstlirker mit hoher Gleichtaktunterdriickung. 9.3 Differenzverstarker mit Nullpunkteinstellern 9.4 Offsetspannungsdrift beim Differenzverstarker 9.5 Darlington-Differenzverstarker...... 9.6 Bootstrap-Differenzverstarker... 9.7 Differenzverstarker mit negativem Kollektorwiderstand 9.8 Differenzverstarker mit Umkehrverstarker 10 Autbau von Operationsverstiirkern.... 10.1 Einfachste Ausflihrung......... 10.2 Operationsverstarker mit zweistufiger Spannungsverstarkung 10.3 Operationsverstarker mit geringerer Drift......... 10.4 Operationsverstarker mit hoher Bandbreite........ 10.5 Operationsverstarker mit komplementaren Differenzverstarkern 10.6 Operationsverstarker mit geregelter Konstantstromquelle.. 10.7 Operationsverstarker mit dreistufiger Spannungsverstarkung. 10.8 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..... 11.4 Konstantstromquellen....... 11.5 Der NIC (Negative Impedance Converter) 11.6 Der Rotator 11.7 Der Gyrator. 11.8 Integratoren 11.9 Differentiatoren 11.10 PID-Regler.. 11.11 Me13schaItungen 11.12 Selektive Filter. 11.13 Operationsverstarker als Schalter 11.14 Analog-Multiplizierer... 114 114 117 119 120 121 122 123 124 126 127 128 129 129 130 131 133 134 153 159 159 164 165 166 169 174 178 182 189 192 197 205 213 220
Inhaltsverzeichnis VII 12 Leistungsverstiirker 12.1 Emitterfolger... 12.2 Komplementare Emitterfolger. 12.3 Darlington-Schaltungen als komplementare Emitterfolger 12.4 50 W-Niederfrequenz-Verstarker.... 12.5 Leistungsverstarker mit Transformatorkopplung 13 Stabilisierte N etzgeriite. 13.1 Eigenschaften..... 13.2 Prinzip der Netzgerate. 13.3 Regelung der Ausgangsspannung bei konstanter Referenzspannung. 13.4 Ausfiihrungsformen des Leistungsverstarkers 13.5 Ausfiihrung der Regelverstarker 13.6 Prazisionsnetzgerate........... 14 Breitbandverstiirker 14.1 Untere Grenzfrequenz 14.2 Obere Grenzfrequenz 14.3 Resonanzverstarker. 14.4 Kettenverstarker (distributed amplifier) 15 Oszillatoren 15.1 Allgemeine Riickkopplungsbedingung 15.2 LC-Oszillatoren. 15.3 Quarzoszillatoren......... 15.4 RC-Oszillatoren.......... 15.5 Synthetische Herstellung von Sinusschwingungen 16 Digitale GrundschaItungen 16.1 Der Transistor als Schalter 16.2 Astabiler Multivibrator 16.3 Univibrator.... 16.4 RS-Flip-Flop...... 16.5 Flip-Flop mit Vorbereitungseingangen 16.6 Schmitt-Trigger.......... 17 Feldeffekttransistoren 17.1 Klassifikation.................... 17.2 Kennlinien und charakteristische Daten von n-kanal-fets. 17.3 Grenzdaten.............. 17.4 Grundschaltungen............... 17.5 Niederfrequenzverstarker mit Fet-Eingang 17.6 DifTerenzverstarker mit hohem Eingangswiderstand 17.7 Fet als Konstantstromquelle 17.8 Fet als steuerbarer Widerstand...... 17.9 Fet als Leistungsverstarker........ 17.10 Astabiler Multivibrator fiir lange Schaltzeiten 17.11 Univibrator fiir lange Schaltzeiten..... 228 228 232 239 241 247 251 251 252 254 256 261 266 270 270 272 275 277 278 278 280 283 285 291 293 293 296 303 308 313 316 321 321 322 324 325 330 331 333 334 336 337 340
VIII Inhaltsverzeichnis 18 Zerhacker und Modulatoren 18.1 Mechanische Zerhacker 18.2 Transistorzerhacker 18.3 Fet-Zerhacker 18.4 Diodenzerhacker 18.5 Ringmodulator. 18.6 Photozerhacker. 18.7 Modulator mit Kapazitatsdioden 18.8 Zerhacker als Modulator und Synchrondemodulator 18.9 Zerhackerverstarker........... 342 342 343 346 348 350 351 351 352 355 19 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9 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). 361 361 362 362 362 362 365 365 366 368 20 Spezialtransistoren.. 20.1 Unijunction-Transistor. 20.2 Thyristor.... 20.3 Triac... 20.4 Vierschichttriode 370 370 373 378 382 21 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 Photohalbleiter. Photometrie Photowiderstand Photodioden.. Photohalbleiter mit drei Elektroden Leuchtdioden 383 383 386 387 388 390 Literatur... Sachverzeichnis 391 393