Grundlagen der

Elektronik Albrecht Rost

Springer -Verlag Wien NewYork

Dr. rer. nat.

ALBRECHT ROST

Sektion Physik der Martin-Luther-Universitat Halle-Wittenberg

Das Werk erscheint gleichzeitig im Akademie-Verlag Berlin und im Springer-Verlag Wien-New York und ist urheberrechtlich geschiitzt. .. Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, p.er Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Vertriebsrechte fUr die sozialistischen Lander: Akademie-Verlag Berlin Vertriebsrechte fUr alle Staat en mit Ausnahme der sozialistischen Lander: Springer-Verlag \Vien - New York

Mit 308 Abbildungen

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CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek

Rost, Albrecht: Grundlagen der Elektronik / Albrecht Rost. - Wien; New York: Springer, 1983. ISBN -13: 9 78-3-7091- 8700-5

© Akademie-Verlag Berlin 1983 Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1983

ISBN-13:978-3-7091-8700-S e-ISBN-13:978-3-7091-8699-2 DOl: 10.1007/978-3-7091-8699-2

Vorwort

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 Lehrveranstaltungen 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 Lehrveranstaltungen ben6tigen. GemaB dieser Zielstellung war von vornherein eine Beschrankung sowohl hinsichtlich der Stoffauswahl als auch in der Breite der Darstellung geboten. Diese wird durch den Lehrplan fiir das Fachgebiet Elektronik der Grundstudienrichtung Physik vorgenommen. 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 Entwicklungen z. B. auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente oder der digitalen Schaltkreise 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. Damit mochte der Verfasser sowohl die unterschiedlichen Vorkenntnisse und Interessen des Lesers beriicksichtigen als auch den Ubergang zu weiterfiihrenden Darstellungen bestimmter Teilgebiete erleichtern. Trotz aller bei dem begrenzten Umfang dieses Buches erforderlichen Vereinfachungen hat sich der Verfasser stets urn eine physikalisch exakte und anschauliche Darstellung bemiiht und sich besonders auf die praktische Anwendung orientiert.

VI

Vorwort

Die Schreibweise der Gleichungen und Symbole entspricht im wesentlichen den Empfehlungen der "Internationalen Union fur reine und angewandte Physik (LU.P. A.P.)". Eine Zusammenstellung der wichtigsten Formelzeichen und Symbole soIl das Arbeiten mit dem Buch erleichtern; daruber hinaus werden aber aIle Symbole im Text eingefuhrt und erHi.utert. Mathematische Ableitungen werden so ausfiihrlich gebracht, daB sie der Leser leicht nachvoIlziehen kann. Die Gleichungen sind, soweit erforderlich, kapitelweise fortlaufend numeriert. Die in den Textteil einbezogenen Rechenbeispiele sind nicht als Ubungsaufgaben gedacht, sondern dienen ebenso wie die Abbildungen der ErHi.uterung und Veranschaulichung des behandelten Stoffes. Abbildungen und Rechenbeispiele sind in den einzelnen Kapiteln fortlaufend numeriert. Bei den besprochenen Schaltungen wurde ein Bezug auf konkrete Bauelemente (z. B. durch die Angabe von Daten oder Kenn-, linien) vermieden, da dieser aufgrund der schnellen Entwicklung bald nicht mehr aktuell ware. Die wenigen in dieses ·Buch aufgenommenen Angaben uber technische Daten und Kennlinien von Bauelementen dienen lediglich als Beispiele zur Veranschaulichung allgemeiner Aussagen. Auf ein ausfuhrliches Literaturverzeichnis wurde verzichtet und nur eine Auswahl an erganzender und weiterfuhrender Literatur angegeben, die aber keine Wertung darstellt und keinerlei Anspruch auf Vollstandigkeit erhebt. Aus der groBen Zahl der zu diesem Fachgebiet erschienenen Bucher wurden nur deutschsprachige und davon in erster Linie die berucksichtigt, die dem Verfasser zur Verfugung standen. AbschlieBend sei es dem Verfasser gestattet, allen den Kollegen zu danken, die die Arbeit an diesem Buch durch Diskussionen und kritische Hinweise gefordert haben. Sein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr. H. PFEIFER und Herrn Dr. W. HEINK von der Karl-Marx-Universitat Leipzig, Herrn Dr. G. BORCHHARDT, jetzt VEB Keramische Werke Hermsdorf, und Herrn Dipl.-Phys. G. TSCHUCH von der MartinLuther-Universitat fUr die kritische Durchsicht des Manuskriptes und die sich daraus ergebenden Hinweise. Gedankt sei aber auch dem Akademie-Verlag, insbesondere der Lektorin Frau Dipl.-Phys. U. HEILMANN, fur die gute Zusammenarbeit und die Bemuhungen, allen Vorstellungen und Wunschen hinsichtlich der Gestaltung dieses Buches gerecht zu werden. Halle, im Marz 1982

ALBRECHT ROST

Inhalt

1.

1.1. 1.1.1. 1.1.2. 1.1.3. 1.1.4.

Darstellung von Signalen im Frequenz- und Zeitbereich Grundgesetze des elektrischen Stromkreises Elektrischer Strom - OHMsches Gesetz. . . . KIRCHHoFFsche Regeln . . . . . . . . . . . Ersatzspannungsquelle und Ersatzstromquelle . Anpassung . . . . . . . . . . . . . .

1 1

3 6

7

1.2.1. 1.2.2. 1.2·3· 1.2.4. 1.2.5. 1.2.6.

Komplexe Darstellung elektrischer GraBen Die Zeitfunktion harmonischer Wechselspannungen und 'Vechselstrame . Symbolische (komplexe) Schreibweise . Komplexer Widerstand . Zeigerdiagramm . . . Ortskurve . . . . . lJbertragungsfunktion

1.3· 1.3.1. 1.3.2. 1.3·3. 1.3.4. 1.3.4.1. 1.3.4.2. 1.3.4.3. 1.3.5. 1.3.5.1. 1.3.5.2. 1.3.5.3. 1.3.5.4.

Signale und Spektren FOURIER-Transformation Entstehung h6herer Harmonischer Modulation . . . . . . . . . . Das Einschaltproblem . . . . . Sprungantwort und StoBantwort Losung des Einschaltproblems bei bekannter lJbergangsfunktion . LAPLAcE-Transformation . . . . . Abtasttheoreme und Pulsmodulation Abtasttheorem der Spektralfunktion Verschiebungssatz '.' . . . . Abtasttheorem der Zeitfunktion Pulsmodulation . . . . . . .

2.

Schaltungen mit passiven Bauelementen .

50

2.1.

Passive Bauelemente Widerstiinde. . . . Festwiderstande . . Veranderbare Widerstiinde Thermische Belastbarkeit . Rauschen . . . . . . . Temperaturabhangige Widerstande Spannungsabhiingige Widerstiinde . Kondensatoren . . . . . . ',' . Kapazitiit und Dielektrizitiitskonstante .

50

1.2.

2.1.1. 2.1.1.1.

2.1.1.2. 2.1.1.3. 2.1.1.4. 2.1.1.5. 2.1.1.6. 2.1.2. 2.1.2.1.

9 9 10 11

13 15

19 20 20

27

28 31 31 34 37 43 43 45 46 47

52 54 54 55 56

57 59 60 60

VIII

1nhalt

2.1.2.2: 2.1.2.3. 2.1.2.4. 2·1.3. 2.1·3·1. 2.1.3·2. 2·1.3.3. 2·1.3.4.

Ersatzschaltung des realen Kondensators Festkondensatoren . Veriinderbare Kondensatoren Induktivitiiten Selbstinduktion und Gegeninduktion Aufbau und Eigenschaften von Induktivitiiten Induktivitiit mit Luftspalt Transformator

62 63 65 65 65 66 69 71

.

2.2.

Lineare passive );[etzwerke

74

2.2.1. 2.2.1.1. 2.2.1.2. 2.2.1·3. 2.2.1.4. 2.2.1.5. 2.2.2. 2.2·3· 2.2.3.1. 2.2.3.2. 2.2·3·3· 2.2.3.4. 2.2.3.5.

Siebschaltungen HochpaB TiefpaB BODE-Diagramm Ubertragung von Rechteckspannungen BandpaB und Bandsperre . Phasenschieber Schwingkreise . Serienschwingkreis . Parallelschwingkreis Parallelschwingkreis mit Spulenverlusten Der nichtstationiire Zustand Gekoppelte Schwingkreise

74 75 76 77 79 84 86 88

2·3· 2·3.1. 2.3.2. 2.3.3. 2.3.4.

Vierpole . Vierpolgleichungen und ihre Matrixdarstellung Zusammenschalten von Vierpolen . Dbertragungsfunktionen und Wellenwiderstand Vierpolersatzstrukturen

96 99 101 103

3·

Leitungen

106

3.1.

Vorgiinge auf Leitungen Leitungsgleichungen und Wellenparameter Ausbreitungsgeschwindigkeit Reflexionsfaktor und Stehwellenverhaltnis 1mpedanztransformation

107 109 111 112

3·1.1. 3.1.2. 3.1·3. 3·1.4.

88 90 92 92 94 96

106

Anwendungen von Leitungen Anpassung Leitungen als Resonatoren Schaltverhalten von Leitungen.

116

123

3·3·1. 3·3·2. 3.3.3.

Spezielle Leitungen Paralleldrahtleitung Koaxialleitung Hohlleiter

4·

Halbleiterbauelemente.

127

4.1.

Grundlagen . Biindermodell und Besetzungswahrscheinlichkeit Eigenleitung. Storstellenleitung

127

3.2. 3.2.1. 3·2.2. 3.2.3. 3·3·

4.1.1. 4.1.2. 4.1.3.

117 119 120 123 123 124

127 130 133

IX

Inhalt 4.2.

Bauelemente mit homogenem Halbleiter

136

4.2.1. 4.2.2. 4.2·3. 4.2.4.

Halbleiterthermoelement Fotowiderstand HALL-Generator GUNN-Diode

136 137 137 139

4.3.

pn- Dbergang

140

4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.3.4. 4.3.5. 4.3.6. 4.3.7. 4.3.8.

Verhaltnisse am stromlosen pn- Dbergang Berechnung der Diffusionsspannung Sperrschichtweite . . . . . . . . Stromdurchflossener pn-Dbergang . Berechnung der Strom-Spannungs- Kennlinie. Reale Diodenkennlinie . . . Ersatzschaltung einer Diode Dbergangsverhalten

140 142 144 146 149 152 155 1 57

4.4.

Halbleiterdioden

158

4.4.1. 4.4.1.1. 4.4.1.2. 4.4.1.3. 4.4.1.4. 4.4·1.5. 4.4.2. 4.4.3· 4.4.4. 4.4·5· 4.4.6. 4.4.7. 4.4.8. 4.4.8.1. 4.4.8.2. 4.4.8.3.

Gleichrichtung Gleichrichtergrundschaltungen Gleichrichter mit Ladekondensator . Spannungsvervielfacher . . . . . Gleichrichtung bei hohen Frequenzen und Schalteranwendungen Technische Ausfiihrungsformen von Gleichrichterdioden Z-Dioden . . . . Kapazitatsdioden Tunneldioden . . Fotodioden . . . Lumineszenzdioden Metall-Halbleiter-Dbergang Spezialdioden . . . . Speicherschaltdiode. . Lawinenlaufzeitdiode . pin-Diode

158 159 161 162 163 164 166 168 169 172 1 73 174 176 1 76 177 177

4.5.

Bipolartransistor

178

4.5.1. 4.5.2. 4.5.3. 4·5·3.1. 4.5·3.2. 4.5.3.3.

Wirkungsweise des Transistors Transistorgrundschaltungen und ihre GleichstromkenngroBen Beschreibung der Kleinsignaleigenschaften . . . . . Beschreibung des Transistors durch Vierpolparameter. . . . Transistorkennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Ersatzschaltung des Transistors in Emitterschaltullg fiir tiefe Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transistorkapazitaten - die vollstandige Ersatzschaltung . . . . . . . Frequenzabhangigkeit der Stromverstarkung . . . . . . . . . . . . . Der Transistor als Verstarker - die allgemeillen Kleinsignalbetriebseigenschaften . . . . . . . . . . Betriebsstromverstarkung Betriebsspannungsverstarkung Betriebseingangswiderstand . Betriebsausgangswiderstand Dbergangsverhalten . . . .

178 180 181 182 184

4.5.3.4. 4.5.3.5. 4.5.4. 4.5.4.1. 4.5.4.2. 4.5.4.3. 4·5.4.4. 4.5.5.

185 187 188 190 191 191 192 192 194

x

Inhalt

4.5.6. 4.5.7.

Temperaturabhangigkeit des Transistors . Grenzwerte . . . . . . . .

195 1 96

4.6. 4.6.1. 4.6.2. 4.6.2.1. 4.6.2.2. 4.6.3. 4.6.3.1. 4.6.3.2. 4.6.4. 4.6.5.

Feldeffekttransistoren (FET)

197

Ubersicht ii ber die FET-Typen Sperrschicht-FET . . . . Aufbau und Wirkungsweise Kennlinien . . . . . . . Isolierschicht-FET. . . . Aufbau und Wirkungsweise Kennlinien . . . . . . . Ersatzschaltung und Vierpoldarstellung der FET MISFET-Tetrode

197 198 198 199 200 200 202 203 203

4.7. 4.7.1. 4.7.2. 4.7.3.

Thyristor . . . .

204

Aufbau und Wirkungsweise Dynamische Eigenschaften Thyristoranwendungen

204 206 208

5·

Analogschaltungen. .

209

5.1.

Transistor-Kleinsignalverstarker

209

5.1.1. 5.1.1.1. 5·1.1.2. 5.1.1.3. 5.1.1.4. 5.1.1.5. 5·1.1.5.1. 5·1·1.5.2. 5·1.1·5·3· 5.1.1.6. 5.1.2. 5·1.2.1. 5·1.2.2. 5.1.3. 5.1.3.1. 5·1.3·2. 5· 1.3·3· 5.1.4. 5·1.4.1. 5.1.4.2. 5.1.5. 5.1.5.1. 5.1.5.2. 5.1.5.3.

Emitterschaltung . . . . . . 209 Ausgangskennlinien und Arbeitsgerade 210 Einstellung des Arbeitspunktes 211 Vollstandige Emitterschaltung und ihre Ersatzschaltung flir niedrige Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Die Betriebsgr6Ben der Emitterschaltung. . 215 Emitterschaltung bei sehr tiefen Frequenzen. 217 EinfluB des Emitterkondensators. . . . . . 218 219 EinfluB der Koppelkondensaton!n . . . . . Dimensionierung der vollstandigen Emitterschaltung 220 Emitterschaltung bei hohen Frequenzen. . . . . . 221 Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Vollstandige Basisschaltung und ihre Ersatzschaltung. 222 Die Betriebsgr6Ben der Basisschaltung . . . . . . . 223 Kollektorschaltung . . . . . . . . . . . . . . . 224 Vollstandige Kollektorschaltung und ihre Ersatzschaltung 224 Die Betriebsgr6Ben der Kollektorschaltung 225 Bootstrapschaltung. . . . . . . . 226 Mehrstufige Verstarkerschaltungen . 227 RC-Verstarker in Kettenschaltung 227 DARLINGToN-Schaltung . . . . . . 228 Differenzverstarker . . . . . . . 230 Ersatzschaltung und Betriebseigenschaften 231 Differenzverstarker mit Konstantstromquelle im Emitterkreis 233 Offsetverhalten . . . . . . . 234

5·2. 5·2.1. 5·2.1.1. 5.2.1.2. 5.2.2.

Transistor-GroBsignalverstarker Leistungsverstarker . . A-Verstarker . . . . . Gegentakt-B-Verstarker Transistor als Schalter .

235 235 236 237 239

XI

Inhalt Riickkopplung Gegenkopplung Stabilisierung der BetriebsgroBen. VergroBerung der Bandbreite Die gegengekoppelte Emitterschaltung Die Kollektorschaltung als gegengekoppelte Schaltung Mitkopplung Die Selbsterregungsbedingung Harmonische Oszillatoren . Kippgeneratoren

242

5.4.

Schaltungen mit Feldeffekttransistoren

5.4·1. 5.4·2. 5.4.2.1. 5.4·2.2.

Einstellung des Arbeitspunktes FET-Grundschaltungen Sourceschaltung Drainschaltung

255 255 257 257 258

5·5. 5.5.1. 5.5.1.1. 5.5.1.2. 5.5.1.3. 5.5.1.4. 5.5.1.4.1. 5.5.1.4.2. 5· 5.1.4.3. 5.5.1.4.4. 5.5.1.4.5. 5.5.1.4.6. 5·5.1.5. 5.5.1. 5.1. 5·5.1.5.2. 5·5·1. 5.3. 5:5.1.5.4." 5·5.1.5.5. 5· 5.1. 5.6. 5.5.2. 5.5.2. t. 5.5.2.2. 5·5.2.3. 5· 5·2.3.t. 5.5.2.3.2. 5· 5·2.3.3. 5·5.3.

Operationsverstarker (OV) Eigenschaften des idealen OV Der ideale OVals Spannungsverstarker . KenngroBen und Grenzwerte realer OV . EinfluB der Eigenschaften eines realen OV EinfluB der endlichen Leerlaufverstarkung EinfluB des endlichen Eingangswiderstandes EinfluB des Ausgangswiderstandes . Eingangs- und Ausgangswiderstand der Schaltung Der reale nichtinvertierende Verstarker . Kompensation der Offsetgr6Ben Anwendungsbeispiele . Analoge Rechenschaltungen . Mittelwertbildner Impedanzwandler Gleichrichter Komparator Signalgeneratoren Multi plizierer Logarithmier-Delogarithmier-Multiplizierer Multiplizierer mit veranderlicher Steilheit Anwendungsbeispiele . Arraloge Rechenschaltungen . Regelbarer Verstarker Effektivwertmesser Integrierte Spannungsregler .

260 261 261 262 264 266 266 267 268 268 269 270 271 272 275 276 277 278 281 282 283 283 284 284 285 285 286

6.

Digitalschaltungen

289

6.1. 6.1.1. 6.1.2. 6.1.3. 6.1.4.

Grundlagen und logische Grundgesetze Digitale und analoge Signale. Zahlensysteme Codierung BOoLEsche Algebra

289 289 290

5·3. 5·3.1. 5·3.1.1. 5·3.1.2. 5.3.1.3. 5·3·1.4. 5·3·2. 5.3.2.15·3.2.2. 5·3.2.3.

Integrierte Analogschaltungen .

243 244 244 245 250 251 251 252 254

291

292

XII

Inhalt

6.1.4.16.1.4.2. 6.1.4.3. 6.1.4.4. 6·1.5. 6.1.5.1. 6.1.5.2.

Logische Operationen Rechenregeln Schaltalgebra Minimierung. Logische Grundfunktionen Einstellige Grundfunktionen Zweistellige Grundfunktionen

293 295 299 300 303 303 304

6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 6.2.4. 6.2·5. 6.2.6. 6.2·7.

Schaltkreissysteme . Charakteristische KenngroBen . Dioden-Transistor-Logik (DTL) Transistor-Transistor-Logik (TTL) Emittergekoppelte Logik (ECL) Integrierte Injektionslogik (PL) MOS-Logikschaltungen . Vergleich der Schaltkreissysteme

307 307 309 310 311 313 314 315

6.3. 6.3.1. 6.3.1.1. 6.3.1.2. 6.3·1.3. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5. 6.3·5.1. 6.3.5.2. 6.3·5.3. 6.3·5.4·

6.3.5.5. 6.3.5.6. 6.3.5.7. 6.3.6. 6.3.7. 6.3.8. 6.3.8.1. 6.3.8.2.

Grundelemente und Schaltungen der Digitaltechnik Rechenschaltungen Binaraddition Binarsubtraktion. Binarmultiplikation und Binardivision Astabiler Multivibrator Univibrator . SCHMITT-Trigger . Speicher . Flipflopgrundschaltungen . Master-Slave-Flipflop (MS-Flipflop) Schieberegister. Zahler DynamischeSpeicher CCD-Speicher Speicherorganisation Codeumsetzer Multiplexer Signalumsetzer Digital/Analog-U msetzer Analog/Digital-Umsetzer

317 317 318 320 322 323 324 325 326 327 329 330 331 333 333 334 335 337 338 338 339

7·

Verzeichnisse

342

7.1.

Haufig verwendete Formelzeichen und Symbole

342

7·2.

Erganzende und weiterfiihrende Literatur .

346

7.3.

Sachverzeichnis

349