Grundlagen Der Elektronik

ISBN-13: 9783709187005 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 360 str.

Albrecht Rost

Opis

Das vorliegende Lehrbuch entstand auf der Grundlage der Vorlesung Elektronik, die vom Verfasser fiir Studenten der Fachrichtung Physik im zweiten Studienjahr an der Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg gehalten wird. Es ist daher vor allem fUr Studierende dieser Fachrichtung gedacht. Das Buch solI die Lehrveranstal tungen zum Fachgebiet Elektronik begleiten und den Studenten die M6glichkeit geben, den in Vorlesungen, Dbungen und Praktika dargebotenen Stoff nachzuarbeiten und zu vertiefen. Dariiber hinaus wendet es sich aber auch an alle Studierenden sonstiger naturwissenschaftlicher und technischer Fachrichtungen sowie an andere Interessierte, die sich selbstandig Grundkenntnisse auf dem Gebiet der Elektronik erarbeiten mochten oder erganzende Literatur zu entsprechenden Lehrveranstaltun gen ben6tigen. GemaB dieser Zielstellung war von vornherein eine Beschrankung sowohl hinsicht lich der Stoffauswahl als auch in der Breite der Darstellung geboten. Diese wird durch den Lehrplan fiir das Fachgebiet Elektronik der Grundstudienrichtung Physik vor genommen. Auswahl und Gliederung des dargebotenen Stoffes lehnen sich daher eng an diesen Lehrplan an. In sechs Kapiteln werden folgende Themen behandelt: Darstellung von Signalen im Frequenz-und Zeitbereich, Schaltungen mit passiven Bauelementen, Leitungen, Halbleiterbauelemente, Analogschaltungen, Digi talschaltungen. Dabei wurde, soweit das im Rahmen dieses Buches moglich war, auch neueren Ent wicklungen z. B. auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente oder der digitalen Schalt kreise Rechnung getragen. DaB andererseits bei dieser Auswahl die Behandlung der Elektronenrohre vollstandig entfallen muBte, entspricht der Tatsache, daB sie in der Anwendung bereits fiberwiegend durch Halbleiterbauelemente verdrangt worden ist. Trotzdem geht der Stoff teilweise erheblich fiber die Forderungen des Lehrplans hinaus, vor allem hinsichtlich der Beschreibung der physikalischen Grundlagen.

Spis treści

1. Darstellung von Signalen im Frequenz- und Zeitbereich.- 1.1. Grundgesetze des elektrischen Stromkreises.- 1.1.1. Elektrischer Strom — Ohmsches Gesetz.- 1.1.2. Kirchhoffsche Regeln.- 1.1.3. Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle.- 1.1.4. Anpassung.- 1.2. Komplexe Darstellung elektrischer Größen.- 1.2.1. Die Zeitfunktion harmonischer Wechselspannungen und Wechselströme.- 1.2.2. Symbolische (komplexe) Schreibweise.- 1.2.3. Komplexer Widerstand.- 1.2.4. Zeigerdiagramm.- 1.2.5. Ortskurve.- 1.2.6. Übertragungsfunktion.- 1.3. Signale und Spektren.- 1.3.1. Fourier-Transformation.- 1.3.2. Entstehung höherer Harmonischer.- 1.3.3. Modulation.- 1.3.4. Das Einschaltproblem.- 1.3.4.1. Sprungantwort und Stoßantwort.- 1.3.4.2. Lösung des Einschaltproblems bei bekannter Übergangsfunktion.- 1.3.4.3. Laplace-Transformation.- 1.3.5. Abtasttheoreme und Pulsmodulation.- 1.3.5.1. Abtasttheorem der Spektralfunktion.- 1.3.5.2. Verschiebungssatz.- 1.3.5.3. Abtasttheorem der Zeitfunktion.- 1.3.5.4. Pulsmodulation.- 2. Schaltungen mit passiven Bauelementen.- 2.1. Passive Bauelemente.- 2.1.1. Widerstände.- 2.1.1.1. Festwiderstände.- 2.1.1.2. Veränderbare Widerstände.- 2.1.1.3. Thermische Belastbarkeit.- 2.1.1.4. Rauschen.- 2.1.1.5. Temperaturabhängige Widerstände.- 2.1.1.6. Spannungsabhängige Widerstände.- 2.1.2. Kondensatoren.- 2.1.2.1. Kapazität und Dielektrizitätskonstante.- 2.1.2.2 Ersatzschaltung des realen Kondensators.- 2.1.2.3. Festkondensatoren.- 2.1.2.4. Veränderbare Kondensatoren.- 2.1.3. Induktivitäten.- 2.1.3.1. Selbstinduktion und Gegeninduktion.- 2.1.3.2. Aufbau und Eigenschaften von Induktivitäten.- 2.1.3.3. Induktivität mit Luftspalt.- 2.1.3.4. Transformator.- 2.2. Lineare passive Netzwerke.- 2.2.1. Siebschaltungen.- 2.2.1.1. Hochpaß.- 2.2.1.2. Tiefpaß.- 2.2.1.3. Bode-Diagramm.- 2.2.1.4. Übertragung von Rechteckspannungen.- 2.2.1.5. Bandpaß und Bandsperre.- 2.2.2. Phasenschieber.- 2.2.3. Schwingkreise.- 2.2.3.1. Serienschwingkreis.- 2.2.3.2. Parallelschwingkreis.- 2.2.3.3. Parallelschwingkreis mit Spulenverlusten.- 2.2.3.4. Der nichtstationäre Zustand.- 2.2.3.5. Gekoppelte Schwingkreise.- 2.3. Vierpole.- 2.3.1. Vierpolgleichungen und ihre Matrixdarstellung.- 2.3.2. Zusammenschalten von Vierpolen.- 2.3.3. Übertragungsfunktionen und Wellenwiderstand.- 2.3.4. Vierpolersatzstrukturen.- 3. Leitungen.- 3.1. Vorgänge auf Leitungen.- 3.1.1. Leitungsgleichungen und Wellenparameter.- 3.1.2. Ausbreitungsgeschwindigkeit.- 3.1.3. Reflexionsfaktor und Stehwellenyerhältnis.- 3.1.4. Impedanztransformation.- 3.2. Anwendungen von Leitungen.- 3.2.1. Anpassung.- 3.2.2. Leitungen als Resonatoren.- 3.2.3. Schaltverhalten von Leitungen.- 3.3. Spezielle Leitungen.- 3.3.1. Paralleldrahtleitung.- 3.3.2. Koaxialleitung.- 3.3.3. Hohlleiter.- 4. Halbleiterbauelemente.- 4.1. Grundlagen.- 4.1.1. Bändermodell und Besetzungswahrscheinlichkeit.- 4.1.2. Eigenleitung.- 4.1.3. Störstellenleitung.- 4.2. Bauelemente mit homogenem Halbleiter.- 4.2.1. Halbleiterthermoelement.- 4.2.2. Fotowiderstand.- 4.2.3. Hall-Generator.- 4.2.4. Gunn-Diode.- 4.3. pn-Übergang.- 4.3.1. Verhältnisse am stromlosen pn-Übergang.- 4.3.2. Berechnung der Diffusionsspannung.- 4.3.3. Sperrschichtweite.- 4.3.4. Stromdurchflossener pn-Übergang.- 4.3.5. Berechnung der Strom-Spannungs-Kennlinie.- 4.3.6. Reale Diodenkennlinie.- 4.3.7. Ersatzschaltung einer Diode.- 4.3.8. Übergangsverhalten.- 4.4. Halbleiterdioden.- 4.4.1. Gleichrichtung.- 4.4.1.1. Gleichrichtergrundschaltungen.- 4.4.1.2. Gleichrichter mit Ladekondensator.- 4.4.1.3. Spannungsvervielfacher.- 4.4.1.4. Gleichrichtung bei hohen Frequenzen und Schalteranwendungen.- 4.4.1.5. Technische Ausführungsformen von Gleichrichterdioden.- 4.4.2. Z-Dioden.- 4.4.3. Kapazitätsdioden.- 4.4.4. Tunneldioden.- 4.4.5. Fotodioden.- 4.4.6. Lumineszenzdioden.- 4.4.7. Metall-Halbleiter-Übergang.- 4.4.8. Spezialdioden.- 4.4.8.1. Speicherschaltdiode.- 4.4.8.2. Lawinenlaufzeitdiode.- 4.4.8.3. pin-Diode.- 4.5. Bipolartransistor.- 4.5.1. Wirkungsweise des Transistors.- 4.5.2. Transistorgrundschaltungen und ihre Gleichstromkenngrößen.- 4.5.3. Beschreibung der Kleinsignaleigenschaften.- 4.5.3.1. Beschreibung des Transistors durch Vierpolparameter.- 4.5.3.2. Transistorkennlinien.- 4.5.3.3 Physikalische Ersatzschaltung des Transistors in Emitterschaltung für tiefe Frequenzen.- 4.5.3.4. Transistorkapazitäten — die vollständige Ersatzschaltung.- 4.5.3.5. Frequenzabhängigkeit der Stromverstärkung.- 4.5.4. Der Transistor als Verstärker — die allgemeinen Kleinsignalbetriebseigenschaften.- 4.5.4.1. Betriebsstromverstärkung.- 4.5.4.2. Betriebsspannungsverstärkung.- 4.5.3.5. Betriebseingangswiderstand.- 4.5.4.4. Betriebsausgangswiderstand.- 4.5.5. Übergangsverhalten.- 4.5.6. Temperaturabhängigkeit des Transistors.- 4.5.7. Grenzwerte.- 4.6. Feldeffekttransistoren (FET).- 4.6.1. Übersicht über die FET-Typen.- 4.6.2. Sperrschicht-FET.- 4.6.2.1. Aufbau und Wirkungsweise.- 4.6.2.2. Kennlinien.- 4.6.3. Isolierschicht-FET.- 4.6.3.1. Aufbau und Wirkungsweise.- 4.6.3.2. Kennlinien.- 4.6.4. Ersatzschaltung und Vierpoldarstellung der FET.- 4.6.5. MISFET-Tetrode.- 4.7. Thyristor.- 4.7.1. Aufbau und Wirkungsweise.- 4.7.2. Dynamische Eigenschaften.- 4.7.3. Thyristoranwendungen.- 5. Analogschaltungen.- 5.1. Transistor-Kleinsignalverstärker.- 5.1.1. Emitterschaltung.- 5.1.1.1. Ausgangskennlinien und Arbeitsgerade.- 5.1.1.2. Einstellung des Arbeitspunktes.- 5.1.1.3. Vollständige Emitterschaltung und ihre Ersatzschaltung für niedrige Frequenzen.- 5.1.1.4. Die Betriebsgrößen der Emitterschaltung.- 5.1.1.5. Emitterschaltung bei sehr tiefen Frequenzen.- 5.1.1.5.1. Einfluß des Emitterkondensators.- 5.1.1.5.2. Einfluß der Koppelkondensatoren.- 5.1.1.5.3. Dimensionierung der vollständigen Emitterschaltung.- 5.1.1.6. Emitterschaltung bei hohen Frequenzen.- 5.1.2. Basisschaltung.- 5.1.2.1. Vollständige Basisschaltung und ihre Ersatzschaltung.- 5.1.2.2. Die Betriebsgrößen der Basisschaltung.- 5.1.3. Kollektorschaltung.- 5.1.3.1. Vollständige Kollektorschaltung und ihre Ersatzschaltung.- 5.1.3.2. Die Betriebsgrößen der Kollektorschaltung.- 5.1.3.3. Bootstrapschaltung.- 5.1.4. Mehrstufige Verstärkerschaltungen.- 5.1.4.1. RC-Verstärker in Kettenschaltung.- 5.1.4.2. Darlington-Schaltung.- 5.1.5. Differenzverstärker.- 5.1.5.1. Ersatzschaltung und Betriebseigenschaften.- 5.1.5.2. Differenzverstärker mit Konstantstromquelle im Emitterkreis.- 5.1.5.3. Offsetverhalten.- 5.2. Transistor-Großsignalverstärker.- 5.2.1. Leistungsverstärker.- 5.2.1.1. A-Verstärker.- 5.2.1.2. Gegentakt-B-Verstärker.- 5.2.2. Transistor als Schalter.- 5.3. Rückkopplung.- 5.3.1. Gegenkopplung.- 5.3.1.1. Stabilisierung der Betriebsgrößen.- 5.3.1.2. Vergrößerung der Bandbreite.- 5.3.1.3. Die gegengekoppelte Emitterschaltung.- 5.3.1.4. Die Kollektorschaltung als gegengekoppelte Schaltung.- 5.3.2. Mitkopplung.- 5.3.2.1. Die Selbsterregungsbedingung.- 5.3.2.2. Harmonische Oszillatoren.- 5.3.2.3. Kippgeneratoren.- 5.4. Schaltungen mit Feldeffekttransistoren.- 5.4.1. Einstellung des Arbeitspunktes.- 5.4.2. FET-Grundschaltungen.- 5.4.2.1. Sourceschaltung.- 5.4.2.2. Drainschaltung.- 5.5. Integrierte Analogschaltungen.- 5.5.1. Operationsverstärker (OV).- 5.5.1.1. Eigenschaften des idealen OV.- 5.5.1.2. Der ideale OV als Spannungsverstärker.- 5.5.1.3. Kenngrößen und Grenzwerte realer OV.- 5.5.1.4. Einfluß der Eigenschaften eines realen OV.- 5.5.1.4.1. Einfluß der endlichen Leerlaufverstärkung.- 5.5.1.4.2. Einfluß des endlichen Eingangswiderstandes.- 5.5.1.4.3. Einfluß des Ausgangswiderstandes.- 5.5.1.4.4. Eingangs- und Ausgangswiderstand der Schaltung.- 5.5.1.4.5. Der reale nichtin vertierende Verstärker.- 5.5.1.4.6. Kompensation der Offsetgrößen.- 5.5.1.5. Anwendungsbeispiele.- 5.5.1.5.1. Analoge Rechenschaltungen.- 5.5.1.5.2. Mittelwertbildner.- 5.5.1.5.3. Impedanzwandler.- 5.5.1.5.4. Gleichrichter.- 5.5.1.5.5. Komparator.- 5.5.1.5.6. Signalgeneratoren.- 5.5.2. Multiplizierer.- 5.5.2.1. Logarithmier-Delogarithmier-Multiplizierer.- 5.5.2.2. Multiplizierer mit veränderlicher Steilheit.- 5.5.2.3. Anwendungsbeispiele.- 5.5.2.3.1. Analoge Rechenschaltungen.- 5.5.2.3.2. Regelbarer Verstärker.- 5.5.2.3.3. Effektivwertmesser.- 5.5.3. Integrierte Spannungsregler.- 6. Digitalschaltungen.- 6.1. Grundlagen und logische Grundgesetze.- 6.1.1. Digitale und analoge Signale.- 6.1.2. Zahlensysteme.- 6.1.3. Codierung.- 6.1.4. Boolesche Algebra.- 6.1.4.1. Logische Operationen.- 6.1.4.2. Rechenregeln.- 6.1.4.3. Schaltalgebra.- 6.1.4.4. Minimierung.- 6.1.5. Logische Grundfunktionen.- 6.1.5.1. Einstellige Grundfunktionen.- 6.1.5.2. Zweistellige Grundfunktionen.- 6.2. Schaltkreissysteme.- 6.2.1. Charakteristische Kenngrößen.- 6.2.2. Dioden-Transistor-Logik (DTL).- 6.2.3. Transistor-Transistor-Logik (TTL).- 6.2.4. Emittergekoppelte Logik (ECL).- 6.2.5. Integrierte Injektionslogik (I2L).- 6.2.6. MOS-Logikschaltungen.- 6.2.7. Vergleich der Schaltkreissysteme.- 6.3. Grundelemente und Schaltungen der Digitaltechnik.- 6.3.1. Rechenschaltungen.- 6.3.1.1. Binäraddition.- 6.3.1.2. Binärsubtraktion.- 6.3.1.3. Binärmultiplikation und Binärdivision.- 6.3.2. Astabiler Multivibrator.- 6.3.3. Univibrator.- 6.3.4. Schmitt-Trigger.- 6.3.5. Speicher.- 6.3.5.1. Flipflopgrundschaltungen.- 6.3.5.2. Master-Slave-Flipflop (MS-Flipflop).- 6.3.5.3. Schieberegister.- 6.3.5.4. Zähler.- 6.3.5.5. Dynamische Speicher.- 6.3.5.6. CCD-Speicher.- 6.3.5.7. Speicherorganisation.- 6.3.6. Codeumsetzer.- 6.3.7. Multiplexer.- 6.3.8. Signalumsetzer.- 6.3.8.1. Digital/Analog-Umsetzer.- 6.3.8.2. Analog/Digital-Umsetzer.- 7. Verzeichnisse.- 7.1. Häufig verwendete Formelzeichen und Symbole.- 7.2. Ergänzende und weiterführende Literatur.- 7.3. Sachverzeichnis.