Elektronik und Schaltungstechnik (eBook)

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
Verzeichnis von Formelzeichen und Abkürzungen 10
1 Einführung 14
1.1 Elektronische Schaltungen 14
1.2 Die Welt der elektronischen Bauelemente 15
1.3 Mikroelektronik 18
1.4 Der Weg durch das Buch 20
2 Physikalische Grundlagen elektrischer Schaltungen 22
2.1 Spannung und Strom 22
2.2 Widerstand, Kapazität, Induktivität 27
2.3 Stromkreis 37
2.4 Reale Bauelemente 50
2.5 Verständnisfragen 61
3 Passive Netzwerke 62
3.1 Signale in Schaltungen 62
3.2 Übertragungseigenschaften linearer Schaltkreise 69
3.3 Von der Übertragungsfunktion zum Netzwerk 84
3.4 Verständnisfragen 90
4 Halbleiterbauelemente 92
4.1 Diode und Transistor 92
4.2 Der Transistor in der Schaltung 103
4.3 Dynamische Signale in Transistoren und Dioden 118
4.4 Verständnisfragen 128
5 Analoge Grundschaltungen 130
5.1 Einzeltransistor als Verstärkergrundschaltung 130
5.2 Funktionsschaltungen mit mehreren Transistoren 145
5.3 Operationsverstärker 157
5.4 Funktionsbausteine der Signalverarbeitung 166
5.5 Rechnergestützte Schaltungsanalyse 185
5.6 Verständnisfragen 191
6 Digitale Grundschaltungen und Speicher 193
6.1 Digitale Schaltungen und ihre Charakterisierung 193
6.2 Realisierung der digitalen Grundfunktionen 199
6.3 Ausblick auf das Feld komplexer Digitalbausteine 212
6.4 Speicherbausteine für Digitalrechner 229
6.5 Verständnisfragen 248
7 Anhang 250
Umrechnungstabelle der Vierpolparameter 250
Literaturverzeichnis 251
Sachwortverzeichnis 252

1 Einführung (S. 13)

1.1 Elektronische Schaltungen

Jeder kennt aus der Schule das einfache Experiment, bei dem man mit einem Schalter einen Stromkreis schließt, und eine Lampe leuchtet daraufhin (Abbildung 1.1). Das Schalten oder – anders ausgedrückt – der durch das Schließen des Schalters vervollständigte Stromkreis hat der Lampe zu Strom verholfen. Nun kann der Glühdraht in der Lampe glühen und die Lampe kann ihre lichtspendende Funktion ausüben.

Stromkreise werden uns in den folgenden Kapiteln stets beschäftigen, wobei glühende Drähte eher die Ausnahme darstellen werden. Der Schalter hat die Elemente Batterie und Lampe verbunden. Für dieses Verbinden sind auch die Begriffe Zusammenschalten oder miteinander Verschalten üblich. Das Ergebnis ist dann eine Schaltung.

Und wenn von elektronischen Schaltungen die Rede ist, dann soll speziell darauf hingewiesen werden, dass sich hier nichts bewegen soll – außer den Elektronen. Mit Motoren werden wir uns also nicht befassen. Ziel jeder Schaltung ist die Realisierung einer Funktion. Diese kann sehr einfach sein, wie bei unserer Lampe, nämlich Licht in Abhängigkeit von der Stärke eines Stromes zu liefern. Komplizierte Funktionen finden wir reichlich in unserer Umgebung.

Der kleine Taschenrechner soll Zahlen addieren und zum Schluss vielleicht noch den Barzahlungsrabatt für eine Ware ausrechnen. Diese Funktion erinnert schon richtig an die Mathematik, mit Variablen und einem Ergebnis. Genaugenommen können wir auch alle Funktionen, welche durch Schaltungen ausgeübt werden sollen, durch mathematische Formeln darstellen.

Davon werden wir Gebrauch machen, soweit das nötig ist. Eine sehr umfassende und verzweigte Funktion ist der Fernsehapparat. Als Ergebnisgrößen erkennen wir sofort Bild und Ton. Als Eingabegrößen erkennen wir die Nummer des Kanals bzw. des Senders, die Lautstärke usw. Und wie bei einer richtigen Funktion finden wir eine Anzahl von Parametern, die Farbabstimmung, den Kontrast, die Helligkeit u.a.m. All das stellen wir ein, an kleinen Schaltern oder über den Bildschirm und die Fernbedienung.

Somit wird etwas klar, was eigentlich für jede Dienstleistung gilt. Die Aufgabe muss nicht nur ausgeführt werden, sondern die Details der Ausführung müssen beim Auftraggeber abgeholt werden und die Ergebnisse müssen zu ihm gebracht werden. Auf unsere Schaltung bezogen heißt das, dass es Verbindungen zur Welt des Anwenders geben muss, denn er kann nicht direkt mit den Elektronen kommunizieren.

Geeignete Wandlerelemente müssen seine Wünsche in die Schaltung übertragen bzw. die Ergebnisse sichtbar machen. So hat sich unser Horizont geweitet und wir können die Schaltung im Sinne der Darstellung von Abbildung 1.2 in Bereiche gliedern. Die Zeit, als der Käufer eines Fernsehapparats mit seinen Unterlagen ein großes Blatt mit der kompletten Schaltung erhielt, ist Vergangenheit.

Moderne Unterlagen zeigen ggf. ein Blockbild mit modularen Komponenten, welche über mehr oder weniger standardisierte Verbindungen kommunizieren. Für eine solche Anordnung ist der Begriff System in Gebrauch. Von Schaltung spricht man innerhalb der Komponenten. Abbildung 1.2 zeigt noch eine weitere wichtige Komponente, die Speicherung von Parametern. Schaltungen für diese spezielle Funktion werden wir uns ebenfalls ansehen. Nach diesem Exkurs in die Anwendungen können wir ahnen, dass die Vielfalt der Funktionsschaltungen enorm sein wird. So erhebt sich die Frage, ob das Entwickeln von Schaltungen ein Handwerk ist, mit strengen Regeln, oder eine Kunst.