Lehr- und Übungsbuch Elektronik (eBook)

Vorwort 6
Vorwort zur 3. Auflage 7
Inhaltsverzeichnis 8
Formelzeichenverzeichnis 15
1 Elektronische Bauelemente 18
1.1 Physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik 18
1.1.1 Eigenleitung 18
1.1.2 Halbleiter mit Störstellen 19
1.1.3 Generationsmechanismen 22
1.1.4 Ladungsträgertransportmechanismen 23
1.1.5 Aufgaben 24
1.2 Halbleiterdioden 24
1.2.1 pn-Übergang 24
1.2.2 Kleinsignalverhalten 29
1.2.3 Schaltverhalten 30
1.2.4 Temperaturverhalten 32
1.2.5 Spezielle Dioden und ihre Anwendungen 33
1.2.6 Mikrowellendioden 38
1.2.7 Aufgaben 40
1.3 Bipolartransistoren 41
1.3.1 Wirkprinzip 41
1.3.2 Strom-Spannungs-Kennlinie 42
1.3.3 Nutzbarer Betriebsbereich 46
1.3.4 Bipolartransistor als Verstärker 48
1.3.5 Temperaturverhalten 53
1.3.6 Arbeitspunktabhängigkeit der Stromverstärkung 55
1.3.7 Bipolartransistor als elektronischer Schalter 55
1.3.8 Aufgaben 59
1.4 Thyristoren 61
1.4.1 Aufbau undWirkungsweise 61
1.4.2 Thyristorvarianten 62
1.4.3 Anwendungen von Thyristoren 63
1.4.4 Aufgaben 66
1.5 Feldeffekttransistoren 66
1.5.1 MOSFET 66
1.5.2 Sperrschicht-FET 78
1.5.3 Aufgaben 79
1.6 Rauschen elektronischer Bauelemente 81
1.6.1 Widerstandsrauschen 81
1.6.2 Diodenrauschen 82
1.6.3 Transistorrauschen 83
1.6.4 Rauschspannung 84
1.6.5 Rauschfaktor 84
1.6.6 Aufgabe 85
1.7 Operationsverstärker 85
1.7.1 Der ideale Operationsverstärker 86
1.7.2 Aufbau eines Operationsverstärkers 86
1.7.3 Statische Kenngrößen realer Operationsverstärker 87
1.7.4 Dynamisches Verhalten von Operationsverstärkern 90
1.7.5 Rauschen in Operationsverstärkern 91
1.7.6 Moderne Operationsverstärkertypen 92
1.7.7 Aufgaben 94
1.8 Optoelektronische Bauelemente und Halbleitersensoren 94
1.8.1 Fotosensoren 94
1.8.2 Leuchtdioden 97
1.8.3 Optokoppler 99
1.8.4 Spezielle Halbleitersensoren 99
1.8.5 Aufgaben 102
2 Analogtechnik 104
2.1 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen 104
2.1.1 Ersatzschaltbilder 104
2.1.2 Groß- und Kleinsignalanalyse 105
2.1.3 Kleinsignalersatzschaltung 106
2.1.4 Vierpoldarstellung 107
2.1.5 Darstellung des Übertragungsverhaltens 111
2.1.6 Signalflussdarstellung 112
2.1.7 Computergestützte Netzwerkanalyse 113
2.1.8 Aufgaben 114
2.2 Lineare Verstärkergrundschaltungen 115
2.2.1 Grundmodell eines Spannungsverstärkers 115
2.2.2 Einstufige Verstärker mit Bipolartransistoren 116
2.2.3 Einstufige Verstärker mit Feldeffekt- Transistoren 124
2.2.4 Grundschaltungen mit mehreren Transistoren 125
2.2.5 Frequenzverhalten von Verstärkerstufen 139
2.2.6 Kopplung von Verstärkerstufen 142
2.2.7 Aufgaben 143
2.3 Gegenkopplung 145
2.3.1 Allgemeines Modell der Gegenkopplung 146
2.3.2 Schaltungsarten der Gegenkopplung 147
2.3.3 Effekte der Gegenkopplung 148
2.3.4 Anwendungen der Gegenkopplungsvarianten 152
2.3.5 Stabilität rückgekoppelter Verstärker 156
2.3.6 Frequenzgangkorrektur von Verstärkern 158
2.3.7 Aufgaben 159
2.4 Schaltungen mit Operationsverstärkern 160
2.4.1 Lineare Verstärker 160
2.4.2 Rechenschaltungen 162
2.4.3 Nichtlineare Schaltungen 166
2.4.4 Komparatoren und Schmitt-Trigger 166
2.4.5 Signalformung 168
2.4.6 Stromquellen 169
2.4.7 Schaltungstechnik mit modernen Operationsverstärkern 170
2.4.8 Aufgaben 174
2.5 Aktive Filter 175
2.5.1 Aktive Filter 179
2.5.2 Universalfilter 188
2.5.3 SC-Filter 190
2.5.4 Aufgaben 192
2.6 Oszillatoren 192
2.6.1 Grundstruktur und Schwingbedingung 193
2.6.2 RC-Oszillatoren 193
2.6.3 LC-Oszillatoren 196
2.6.4 Quarzoszillatoren 197
2.6.5 Aufgaben 198
2.7 Stromversorgungseinheiten 198
2.7.1 Gleichrichterschaltungen 199
2.7.2 Spannungsstabilisierung 201
2.7.3 Erzeugung von Referenzspannungen 203
2.7.4 Aufgaben 205
2.8 Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler 205
2.8.1 Kennwerte von A/D-Wandlern 205
2.8.2 A/D-Wandlungsverfahren 207
2.8.3 Grundprinzipien der D/ A- Wandlung 209
2.8.4 Aufgaben 213
3 Digitaltechnik 214
3.1 Einleitung 214
3.2 Codierung 217
3.2.1 Das Bit 217
3.2.2 Begriff der Codierung 219
3.2.3 Technisch bedeutsame Codes 220
3.2.4 Sicherung von Codes gegen Fehler 227
3.2.5 Aufgaben 228
3.3 Schaltkreisreihen 229
3.3.1 Bipolare Schaltkreisreihen 230
3.3.2 Unipolare Schaltkreisreihen 235
3.3.3 Aufgaben 238
3.4 Schaltalgebra 238
3.4.1 Schaltfunktionen 239
3.4.2 Schaltfunktionen und Schalt( er) netze 241
3.4.3 Gesetze und Rechenregeln der Schaltalgebra 241
3.4.4 Schaltfunktionen und Wertetabelle 243
3.4.5 Minimierung von Schaltfunktionen 245
3.4.6 NAND-NAND- und NOR- NOR- Strukturen 247
3.4.7 OR-NAND- und AND- NOR- Strukturen 249
3.4.8 Aufgaben 249
3.5 Synthese und Analyse kombinatorischer Schaltungen 249
3.5.1 Begriff der kombinatorischen Schaltung 249
3.5.2 Entwurf technisch bedeutsamer Funktionsgruppen 250
3.5.3 Entwurf kombinatorischer Schaltungen mit Multiplexern 258
3.5.4 Entwurf kombinatorischer Schaltungen mit Festwertspeichern ( ROM) 260
3.5.5 Analyse kombinatorischer Schaltungen 265
3.5.6 Aufgaben 266
3.6 Entwurf synchroner sequenzieller Schaltungen (Schaltwerke) 266
3.6.1 Flipflop 266
3.6.2 Synthese und Analyse synchroner sequenzieller Schaltungen 272
3.6.3 Kippschaltungen mit Digitalschaltkreisen 291
3.6.4 Aufgaben 296
3.7 Anwenderspezifische digitale Schaltkreise und Hardware-Beschreibungs-Sprachen 297
3.7.1 Schaltungsrealisierung in PAL 298
3.7.2 Schaltungsrealisierung mit FPGA 302
3.7.3 VHDL 304
3.7.4 Aufgaben 317
3.8 Halbleiterspeicher 320
3.8.1 Festwertspeicher 321
3.8.2 Schreib-Lese-Speicher 324
3.8.3 Erweiterung der Speicherkapazität 337
3.8.4 Aufgaben 341
3.9 Mikroprozessorsysteme 341
3.9.1 Elementarer Mikroprozessor 342
3.9.2 Mikroprozessorreihe 80x86 355
3.9.3 Assemblerprogrammierung 365
3.9.4 Aufgaben 370
3.10 Mikrocontroller 371
3.10.1 Architektur 371
3.10.2 Anwendungsbeispiele 373
3.10.3 Aufgaben 382
3.11 Signalprozessoren 383
3.11.1 Signalprozessoranwendungen 383
3.11.2 Signalprozessor-Strukturen 386
3.11.3 Der Signalprozessor DSP56303 387
3.11.4 DSP56303-Evaluation-Modul 389
3.11.5 Tasking-Entwicklungsumgebung 390
3.11.6 Beispielprogramme 391
3.11.7 Laufzeitanalyse 395
3.11.8 Aufgaben 396
Literaturverzeichnis 397
Elektronische Bauelemente 397
Analogtechnik 397
Digitaltechnik 399
Sachwortverzeichnis 400
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2 Analogtechnik (S. 103-104)

Die Analogtechnik umfasst alle schaltungstechnischen Lösungen zur Verarbeitung kontinuierlicher Signale. Diese Signale sind im allgemeinen Ströme und Spannungen, deren Informationsgehalt durch stetige Zeitfunktionen beschreibbar ist. Elektronische Schaltungen realisieren signalverarbeitende Funktionen durch Netzwerke aus elektronischen Bauelementen. Die wichtigsten Funktionseinheiten sind in Tabelle 2.1 zusammengestellt.

Diese werden durch charakteristische Baugruppen realisiert. Durch Zusammenschalten solcher Funktionseinheiten lassen sich komplexe signalverarbeitende Systeme zusammensetzen.

Für alle wichtigen Funktionseinheiten existieren zahlreiche schaltungstechnische Umsetzungen, bei denen sich die funktionelle Qualität und der Bauelementeaufwand proportional verhalten. In den meisten Fällen werden die Funktionsgruppen durch die Kombination von typischen analogen Grundschaltungen realisiert. Die Kenntnis dieser universell einsetzbaren Baublöcke gehört zum wichtigsten Handwerkszeug des Schaltungstechnikers. Zu ihnen gehören Verstärkerstufen, Differenzstufen, Stromspiegel, Referenzspannungsquellen, Stromquellen und Leistungsendstufen.

2.1 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen

2.1.1 Ersatzschaltbilder

Ersatzschaltbilder stellen eine elektrische Interpretation der Funktion eines elektronischen Bauelementes bzw. einer elektronischen Baugruppe in Form eines Netzwerkes (elektrisches Netzwerkmodell des realen Bauelementes) dar. Die komplexe Funktion des Bauelementes oder der Baugruppe wird in einem Ersatzschaltbild in einige wichtige Teilfunktionen zergliedert. Die Netzwerkelemente widerspiegeln einzelne Eigenschaften bzw. Teilfunktionen. Direkte Zusammenhänge bestehen zwischen messbaren Kennlinien eines Bauelementes, den Ersatzschaltbildelementen und den Kennliniengleichungen. Die Genauigkeit der Repräsentation des realen Verhaltens wird entsprechend den Notwendigkeiten gewählt. Auf der Basis der Ersatzschaltbilder wird eine überschaubare Netzwerkberechnung der Gesamtschaltung (Bauelement mit äußerer Beschaltung) möglich.

Wichtige Elemente von Ersatzschaltbildern sind Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Konstantstrom- und Spannungsquellen sowie gesteuerte Quellen (stromgesteuerte Stromund Spannungsquellen, spannungsgesteuerte Strom- und Spannungsquellen).

Gesteuerte Quellen.

Die Ströme bzw. Spannungen dieser Quellen sind von anderen Zweigspannungen bzw. Zweigströmen der Ersatzschaltung abhängig. Ursache und Wirkung der Steuerung liegen an verschiedenen Stellen in der Ersatzschaltung (siehe Bild 2.1).