Elektronik: Ein Werkzeug Für Naturwissenschaftler

ISBN-13: 9783540613602 / Niemiecki / Miękka / 1996 / 292 str.

Hermann Hinsch

Opis

Die Elektronik ist in der modernen Experimentalphysik und Messtechnik zu einem unentbehrlichen Hilfsmittel geworden. Fur den richtigen und sinnvollen Einsatz der vorhandenen elektronischen Einrichtungen ist eine wichtige Voraussetzung erforderlich: eine gute Kenntnis zumindest der grundlegenden Prinzipien der eingesetzten Gerate, die durch die Mikroprozessortechnik immer vielfaltiger und von der Bedienung anspruchsvoller werden. Daruber hinaus mussen Physiker fur die Entwicklung neuer elektronischer Verfahren in der experimentellen Physik ausreichende elektronische Kenntnisse besitzen. Das vorliegende Buch ist aus einer Elektronikvorlesung fur Physikstudenten an der Universitat Heidelberg hervorgegangen, die angehenden Physikern nutzliche Kenntnisse in der Elektronik vermittelt."

Spis treści

1. Grundbegriffe der Systemtheorie.- 1.1 LTI-Systeme.- 1.2 Deltafunktion, Impulsantwort, Faltung.- 1.3 Sprungfunktion, Sprungantwort.- 1.4 Fouriertransformation, Übertragungsfunktion.- 1.5 Laplacetransformation.- 1.6 Beispiele.- 1.6.1 RC-Tiefpaß.- 1.6.2 CR-Hochpaß.- 1.6.3 LC-Tiefpaß.- 1.6.4 Kompensierter Spannungsteiler.- 2. Vierpole.- 2.1 Grundbegriffe der Vierpoltheorie.- 2.1.1 Matrixdarstellung.- 2.1.2 Übertragungseigenschaften.- 2.2 Leitungen.- 2.2.1 Unendlich lange Leitungen.- 2.2.2 Leitungen endlicher Länge.- 2.2.3 Impulse auf Leitungen.- 3. Halbleiterbauelemente.- 3.1 Der reine und dotierte Halbleiter.- 3.2 Der pn-Übergang.- 3.3 Dioden.- 3.3.1 pn-Dioden.- 3.3.2 Dioden als Gleichrichter.- 3.3.3 Spezielle Dioden.- 3.4 Bipolare Transistoren.- 3.4.1 Emitter-Schaltung.- 3.4.2 Kollektor-Schaltung.- 3.4.3 Basis-Schaltung.- 3.4.4 Grenzwerte des Transistors.- 3.4.5 Transistor als Schalter.- 3.5 Feldeffekttransistoren.- 3.5.1 Sperrschicht-FET.- 3.5.2 MOSFET.- 3.5.3 Leistungs-MOSFETs.- 3.6 Spezielle Leistungshalbleiter.- 3.6.1 Thyristoren.- 3.6.2 Triac.- 4. Schaltungen mit Transistoren.- 4.1 Verstärker mit bipolaren Transistoren.- 4.1.1 Arbeitspunkteinstellung.- 4.1.2 Schaltungsverbesserung durch Gegenkopplung.- 4.1.3 Differenzverstärker.- 4.2 Verstärker mit Feldeffekttransistoren.- 4.2.1 Arbeitspunkteinstellung.- 4.3 Leistungsverstärker.- 4.4 Konstantstromquellen.- 5. Operationsverstärker.- 5.1 Eigenschaften des Operationsverstärkers.- 5.2 Einfache Verstärkerschaltungen.- 5.2.1 Nichtinvertierender Verstärker.- 5.2.2 Invertierender Verstärker.- 5.2.3 Stabilität von Verstärkerschaltungen.- 5.2.4 Sprungantwort bei geringer Phasenreserve.- 5.2.5 Frequenzgangkorrektur.- 5.2.6 Betrieb bei kapazitiver Belastung.- 5.3 Anwendungen des Operationsverstärkers.- 5.3.1 Komparator.- 5.3.2 Spannungsfolger.- 5.3.3 Addierer.- 5.3.4 Differenzverstärker, Instrumentenverstärker.- 5.3.5 Gesteuerte Spannungs- und Stromquellen.- 5.3.6 Gyrator.- 5.3.7 Integrator.- 5.3.8 Spitzenwertdetektor.- 5.3.9 Vollweggleichrichter.- 5.4 Aktive Filter.- 5.4.1 Prinzipieller Entwurf von Filterschaltungen.- 5.4.2 Tiefpaß-Hochpaß-Transformation.- 5.4.3 Realisierung von aktiven Filtern.- 6. Regelung.- 6.1 Lineare Regler.- 6.1.1 Statisches Verhalten.- 6.1.2 Dynamisches Verhalten.- 6.1.3 Stabilität eines Regelkreises.- 6.1.4 Lineare Übertragungsglieder.- 6.1.5 Regelstrecken und Regler.- 6.1.6 P-Regler.- 6.1.7 PI-Regler.- 6.1.8 PD-Regler.- 6.1.9 PID-Regler.- 6.2 Nichtlineare Regelstrecken.- 6.3 Nichtstetige Regelung.- 6.4 Beispiel einer Regelung: Niveauregelung.- 7. Netzgeräte.- 7.1 Längsregler.- 7.2 Schaltregler.- 7.2.1 Durchflußwandler.- 7.2.2 Sperrwandler.- 7.2.3 Beispiel für einen Primärregler.- 8. Analoge Signalübertragung.- 8.1 Modulation.- 8.1.1 Amplitudenmodulation (AM).- 8.1.2 Frequenz- und Phasenmodulation.- 8.1.3 Einfluß von Störungen bei AM, PhM und FM.- 8.2 Mischung.- 9. Rauschen.- 9.1 Rauschquellen.- 9.1.1 Rauschen im thermischen Gleichgewicht.- 9.1.2 Rauschen im thermischen Nichtgleichgewicht.- 9.2 Kenngrößen rauschender Systeme.- 9.2.1 Rauschtemperatur, äquivalenter Rauschwiderstand.- 9.2.2 Rauschzahl, noise figure.- 9.2.3 Rauschersatzschaltung eines Systems.- 9.3 Rauschen von aktiven Bauteilen.- 9.3.1 Rauschen des bipolaren Transistors.- 9.3.2 Rauschen des Feldeffekttransistors.- 9.3.3 Rauschen des Operationsverstärkers.- 9.4 Korrelation.- 9.5 Methoden zur Rauschbefreiung.- 9.5.1 Korrelationsverfahren.- 9.5.2 Lock-in-Verfahren.- 9.5.3 Boxcar-Integrator.- 10. Optoelektronik.- 10.1 Strahlungsdetektoren.- 10.1.1 Fotovervielfacher.- 10.2 Halbleiterfotodetektoren.- 10.2.1 Fotoleiter.- 10.2.2 Fotodiode.- 10.2.3 Fototransistor.- 10.2.4 Rauschverhalten von Fotodetektoren.- 10.3 Bildaufnahmeeinheiten.- 10.3.1 Das XY-Konzept (MOS-XY-Sensor).- 10.3.2 Das Interline-Konzept (IL-Sensor).- 10.3.3 Das Frame-Transfer-Konzept (FT-Sensor).- 10.4 Solarzellen.- 10.5 Halbleiterstrahlungsquellen.- 10.5.1 Lumineszenzdioden (LED = Light Emitting Diode).- 10.5.2 Optokoppler.- 10.5.3 Halbleiterlaser (Laserdioden).- 10.6 Flüssigkristallanzeigen.- 10.7 Lichtleiter, Glasfaser.- 10.7.1 Eigenschaften und charakteristische Daten.- 11. Digitale Schaltungen.- 11.1 Die logischen Grundfunktionen.- 11.1.1 Die Rechenregeln der Schaltalgebra.- 11.1.2 Wahrheitstafel ? logische ? Gleichung Schaltbild.- 11.1.3 Abgeleitete Grundfunktionen.- 11.2 Technische Realisierung der Grundfunktionen.- 11.2.1 Wichtige Gattereigenschaften.- 11.2.2 Verbesserung der Standard-TTL-Technologie.- 11.2.3 Emittergekoppelte Logik (ECL).- 11.2.4 Komplementäre MOS-Logik (CMOS).- 11.2.5 Spezielle Ausgangsschaltungen.- 11.3 Beispiele für logische Schaltungen.- 11.3.1 Addition von Dualzahlen.- 11.3.2 Komparator.- 11.3.3 Paritätsbitgenerator.- 11.4 Digitale Schaltwerke.- 11.4.1 Flip-Flops.- 11.4.2 Binärzähler.- 11.4.3 Schieberegister.- 11.4.4 Einige Beispiele.- 11.5 Digitale Speicher.- 11.5.1 Schreib-Lese-Speicher.- 11.5.2 Festwertspeicher.- 11.5.3 Serielle Speicher.- 11.5.4 Programmierbare Logikbausteine.- 11.5.5 Der Halbleitermarkt.- 12. Digitale Signalübertragung.- 12.1 Abtastung, Abtasttheorem.- 12.1.1 Quantisierungsrauschen.- 12.2 Pulsmodulation (PM).- 12.3 Abtast-Halte-Schaltungen.- 12.4 Analog-Digital-Wandler (ADC).- 12.4.1 Parallelverfahren = Flash-ADC.- 12.4.2 Wägeverfahren = sukzessive Annäherung.- 12.4.3 Zählverfahren.- 12.5 Digital-Analog-Wandler (DAC).- 12.5.1 Kenngrößen bei AD- und DA-Wandlern.- 12.5.2 Delta-Sigma-Wandler.- 13. Mikroprozessoren.- 13.1 Prinzip des CISC-Mikroprozessors.- 13.2 Der Mikroprozessor 68000.- 13.2.1 Registersatz.- 13.2.2 Befehlssatz.- 13.2.3 Adressierungsarten.- 13.2.4 Direkte Adressierung.- 13.2.5 Indirekte Adressierung.- 13.2.6 Unterprogramme, der Stack.- 13.2.7 Programmbeispiele.- 13.2.8 Hardware des 68000.- 13.3 Ein/Ausgabe-Bausteine.- 13.3.1 Parallele Schnittstelle.- 13.3.2 Serielle Schnittstelle.- 13.4 Die 680X0-Familie.- 13.4.1 68010.- 13.4.2 68020.- 13.4.3 68030, 68040, 68060.- 13.5 Die Intel-Mikroprozessoren 80X86.- 13.5.1 8086.- 13.5.2 80386.- 13.5.3 80486 und Pentium (80586).- 13.6 Prinzip des RISC-Prozessors.- 13.6.1 Der PowerPC.- 14. Anhang.- 14.1 Der Operationsverstärker 741.- Weiterführende Literatur.

Blurb

Nach der Einführung in die grundsätzliche Behandlung linearer Systeme und ihre Anwendung auf einfache Beispiele, vermittelt das Buch Kenntnisse über die Prinzipien und Eigenschaften der Halbleiterbauelemente Dioden, bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren, Leistungshalbleiter und Operationsverstärker. In mehreren Kapiteln werden die Bauelemente in Schaltungen und Verfahren eingesetzt. Hierunter fallen insbesondere Verstärkerschaltungen, aktive Filter, Regelungsverfahren und Netzgeräte. Zwei weitere Kapitel befassen sich mit der analogen und der digitalen Signalübertragung. Die wichtigsten Rauschursachen und die Methoden zur Rauschbefreiung werden beschrieben. Da in der modernen Elektronik die Optoelektronik ein wichtiges Teilgebiet geworden ist, wird auf Strahlungsempfänger und Strahlungsquellen auf Halbleiterbasis und die Glasfaser eingegangen. Nach den logischen Schaltungen mit vielen Beispielen wird am 68000, dem ersten Mitglied der 680X0-Familie, das Prinzip moderner Mikroprozessoren ausführlich gezeigt. Daran schließt sich eine Beschreibung der prinzipiellen Eigenschaften der bekannten 80X86-Prozessoren und des RISC-Prizips mit dem POWERPC 601 als Beispiel an. Insgesamt verfolgt das Buch die Absicht, dem Leser sowohl einen Überblick über die Grundlagen der Elektronik und die wichtigsten Teilgebiete der Elektronik als auch Detailkenntnisse zu verschaffen, so daß ihm der erfolgreiche Einsatz der Elektronik ermöglicht wird.