U. Tietze' Ch. Schenk

Halbleiter-Schaltungstechnik

Mit 513 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Ulrich Tietze, 7400 Tiibingen, Bei der Ochsenweide 4 Christoph Schenk, 7031 Magstadt, SchwabstraGe 25

ISBN 978-3-662-00085-4 ISBN 978-3-662-00084-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-00084-7

Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Gcnehmigung des Springer-Verlages tibersetzt oder in irgendeiner F onn vcrvielfeiltigt werden. © by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1969. UrsprUnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin· Heidelberg 1969

Softcover reprint of the hardcover l st edition 1969 Library of Congress Catalog Card Number 76-75374. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nieht zu der Annahme, daB so1che Namen im Sinne der Warenzeichen- und MarkenschutzGesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dtirften. Wir libernehmen auch keine Gewahr, daB clie in diesem Buch enthaltenen Angaben frei von Patentrechten sind; durch diese Veroffentlichung wird weder stillschweigend noch sonstwie eine Lizenz auf ctwa bestchende Patente gewtihrt. Titel-Nr. 1565

Vorwort Die Elektronik dringt in immer weitere Gebiete von Wissenschaft und Technik vor. Sie beschdinkt sich Hingst nicht mehr auf Nachrichtentechnik und Datenverarbeitung allein, sondern ist tiberall dort, wo es etwas zu messen oder zu regeln gilt, unentbehrlich geworden. Selbst wenn man dabei nur fertige Gerate zu bedienen hat, ist es oft notwendig, etwas tiber deren Funktionsweise zu wissen, urn sie voll ausntitzen zu konnen. Das vorliegende Buch solI helfen, die Wirkungsweise fertiger Schaltungen verstehen und auch selbstandig neue entwerfen zu konnen. Naturwissenschaftler und Studierende der Hoch- und Fachschulen werden in dem Buch eine Einftihrung in die Halbleiterschaltungstechnik finden. AuBerdem solI das Buch den Fachleuten eine ausftihrliche und kritische Ubersicht tiber die vieWiltigen Schaltungsmoglichkeiten bieten. Die auf diesem Gebiet bisher vorliegende Literatur beschreitet zwei prinzipiell verschiedene Wege: Einmal werden fertig dimensionierte Schaltungen mit einer qualitativen Beschreibung angegeben. Das hat den groBen Nachteil, daB man die Schaltungen exakt nachbauen muB und nicht den eigenen Betriebsbedingungen anpassen kann, wenn man nicht weiB, nach welchen Gesichtspunkten die Dimensionierung vorgenommen wird und wie man sie berechnet. Zum anderen werden einfache Schaltungen mit Hilfe der Vierpoltheorie sehr genau durchgerechnet. Das Ergebnis sind komplizierte Formeln, die sich nur schwer handhaben lassen. Hinzu kommt, daB man bei der Anwendung der Formeln die Daten der Halbleiter viel genauer kennen mtiBte, als sie yom Hersteller angegeben werden konnen. Aus diesem Grund haben wir bei den Berechnungen von vornherein untergeordnete Effekte vernachIassigt. Dadurch vereinfachen sich die Formeln beachtlich, ohne daB sich das numerische Ergebnis nennenswert andert. Es ist dann moglich, auch kompliziertere Schaltungen mit geringem mathematischem Aufwand zu berechnen. Die meisten Halbleiterdaten unterliegen nicht nur einer betrachtlichen Fertigungstoleranz, sondern sind auBerdem stark temperaturabhangig. Daher haben wir vorwiegend solche Schaltungen angegeben, deren Funktion von den Schwankungen der Halbleiterparameter nur wenig beeinfluBt wird. In diesem Zusammenhang spielt die Gegenkopplung eine groBe Rolle. Wir haben deshalb den etwas ungewohnlichen Weg beschritten, die Wirkungsweise und Schaltungstechnik der Gegenkopplung zunachst am Beispiel des idealen Operationsverstarkers zu

IV

Vorwort

beschreiben, ohne uns dabei urn seinen inneren Aufbau zu kiimmern. Die dort eingefUhrte Denkweise wenden wir dann spater auf viele Schaltungen an und gelangen dadurch zu einer besonders iibersichtlichen Funktionsbeschreibung, die sich in der praktischen Entwicklungsarbeit auBerordentlich gut bewahrt hat. Herrn Diplom- Physiker H. WEN KING danken wir fUr manche gute Anregung, ebenso Herrn Gymnasial-Professor J. SAMULEIT, der in vielen Diskussionen mitgeholfen hat, die Arbeit zu fOrdern. SchlieBlich danken wir dem Verlag fUr die gute Zusammenarbeit. Tiibingen und Magstadt, im Friihjahr 1969

U. TIETZE

CH. SCHENK

Inhaltsverzeichnis 1

Erkliirung der verwendeten GroBen

2

Dioden . . . . . . . . . . . .

5

2.1 Kennlinien und charakteristische Daten 2.2 Z- und Avalanche-Dioden . . . . . .

5 7

3

Gleichrichterschaltungen und passive Stabilisierungsschaltungen

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Einweggleichrichterschaltung. . . . . . Vollweggleichrichterschaltung . . . . . Drehstrom-Briickengleichrichterschaltung Spannungsverdoppler . . . . . . . . . Spannungsvervielfacher . . . . . . . . Reihen- und Parallelschaltung von Dioden Filterschaltungen. . . . . . . . . . . . Spannungsstabilisierungsschaltungen mit Z-Dioden MeBgleichrichter . . . . . . . . . . . . . . .

19 23

4

RC- und LRC-Netzwerke

27

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Der Hochpal3 . . . . . Der Tiefpal3 . . . . . . Anstiegszeit und Grenzfrequenz Weitwinkel-Phasenschieber Wien-Briicke Wien-Robinson-Briicke Doppel-T-Filter . . Klangregelschaltung Schwingkreis

27 33 35 36 37 39 40 41 42

5

Der Operationsverstiirker

44

5.1 5.2 5.3 5.4

Eigenschaften eines Operationsverstiirkers Umkehrverstiirker, Gegenkopplung . . . Elektrometerverstiirker . . . . . . . . Kompensation von Eingangsruhestrom und Offsetspannung

44 49

6

Der Transistor

65

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Beschreibung Kennlinien Das Transistorrauschen Grenzdaten . . . . . Messung einiger charakteristischer Daten

65 66

9

9 11 13 13 15 16

17

57

61

69 72

75

Inhaltsverzeichnis

VI 7

Grundschaltungen.......

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Emitterschaltung....... Kollektorschaltung, Emitterfolger Basisschaltung KaskodeschaItung....... Konstantstromquellen..... Schaltungen zur Erzeugung erdsymmetrischer Wechselspannungen

78 91 95 97 99 103

78

8

Niederfrequenz-Vorverstiirker . .

105

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Z weistufiger NF -Verstarker. . . GegengekoppeIter NF-Verstarker Gegengekoppelter NF-Verstarker flir symmetrische Betriebsspannungen . NF-Verstarker mit dreistufiger Spannungsverstarkung NF-Verstarker mit Komplementartransistoren .

105 108 109 110 112

9

Differenzverstiirker

114

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8

Grundschaltung.............. Differenzverstlirker mit hoher Gleichtaktunterdriickung . Differenzverstarker mit Nullpunkteinstellern Offsetspannungsdrift beim Differenzverstarker Darlington-Differenzverstarker . . . . . . Bootstrap-Differenzverstarker....... Differenzverstarker mit negativem Kollektorwiderstand Differenzverstarker mit Umkehrverstarker

114 117 119 120 121 122 123 124

10

Autbau von Operationsverstiirkern . . . .

126

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9

Einfachste Ausflihrung . . . . . . . . . Operationsverstarker mit zweistufiger Spannungsverstarkung Operationsverstarker mit geringerer Drift . . . . . . . . . Operationsverstarker mit hoher Bandbreite . . . . . . . . Operationsverstarker mit komplementaren Differenzverstarkern Operationsverstarker mit geregelter Konstantstromquelle . . Operationsverstarker mit dreistufiger Spannungsverstarkung . Phasenkompensation bei Operationsverstarkern Messung einiger Operationsverstarkerdaten

127 128 129 129

11

Anwendungen der Operationsverstiirker

159

11.1 11.2

Addier- und Subtrahierschaltungen Prazisions-Niederfrequenz-Verstarker Konstantspannungsquellen . . . . . Konstantstromquellen . . . . . . . Der NIC (Negative Impedance Converter) Der Rotator Der Gyrator . Integratoren Differentiatoren PID-Regler . . Me13schaItungen Selektive Filter . Operationsverstarker als Schalter Analog-Multiplizierer . . . . .

11.3 11.4

11.5 11.6 11.7 11.8

11.9 11.10 11.11 11.12 11.13 11.14

130 131 133 134

153

159

164 165 166 169 174 178 182 189 192 197 205 213

220

Inhaltsverzeichnis 12

Leistungsverstiirker

VII

228

12.1 Emitterfolger . . . 12.2 Komplementare Emitterfolger . 12.3 Darlington-Schaltungen als komplementare Emitterfolger 12.4 50 W-Niederfrequenz-Verstarker . . . . . . . 12.5 Leistungsverstarker mit Transformatorkopplung

228 232 239 241 247

13

251

Stabilisierte N etzgeriite .

13.1 Eigenschaften. . . . . 13.2 Prinzip der Netzgerate . 13.3 Regelung der Ausgangsspannung bei konstanter Referenzspannung . 13.4 Ausfiihrungsformen des Leistungsverstarkers 13.5 Ausfiihrung der Regelverstarker 13.6 Prazisionsnetzgerate. . . . . . . . . . . 14

Breitbandverstiirker

14.1 Untere Grenzfrequenz 14.2 Obere Grenzfrequenz 14.3 Resonanzverstarker . 14.4 Kettenverstarker (distributed amplifier)

251 252 254 256 261 266 270 270 272

275 277

15

Oszillatoren

278

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

Allgemeine Riickkopplungsbedingung LC-Oszillatoren. Quarzoszillatoren . . . . . . . . . RC-Oszillatoren. . . . . . . . . . Synthetische Herstellung von Sinusschwingungen

278 280 283 285 291

16

Digitale GrundschaItungen

293

16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6

Der Transistor als Schalter Astabiler Multivibrator Univibrator . . . . . . RS-Flip-Flop. . . . . . Flip-Flop mit Vorbereitungseingangen Schmitt-Trigger. . . . . . . . . .

293 296 303 308 313 316

17

Feldeffekttransistoren

321

17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9 17.10 17.11

Klassifikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennlinien und charakteristische Daten von n-Kanal-Fets . Grenzdaten. . . . . . . . . . . . . . Grundschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . Niederfrequenzverstarker mit Fet-Eingang DifTerenzverstarker mit hohem Eingangswiderstand Fet als Konstantstromquelle Fet als steuerbarer Widerstand . . . . . . Fet als Leistungsverstarker . . . . . . . . Astabiler Multivibrator fiir lange Schaltzeiten Univibrator fiir lange Schaltzeiten . . . . .

321 322 324 325 330 331 333 334 336 337 340

VIII

Inhaltsverzeichnis

18

Zerhacker und Modulatoren

342

18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9

Mechanische Zerhacker Transistorzerhacker Fet-Zerhacker Diodenzerhacker Ringmodulator . Photozerhacker. Modulator mit Kapazitatsdioden Zerhacker als Modulator und Synchrondemodulator Zerhackerverstarker . . . . . . . . .....

342 343 346 348 350 351 351 352 355

19

Spezialdioden . . .

361

19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 19.9

Kapazitatsdioden (Varactor-Dioden) . . . . Metall-Halbleiter-Diode (Hot Carrier Diode) Speicher-Schalt-Diode (Step Recovery Diode) pin-Diode Tunneldiode . . . . . . Backward-Diode Feldeffektdiode (Curristor) Vierschichtdiode Trigger-Diode (Diac) .

361 362 362 362 362 365 365 366 368

20

Spezialtransistoren. .

370

20.1 20.2 20.3 20.4

Unijunction-Transistor . Thyristor. . . . Triac . . . . . Vierschichttriode

370 373 378 382

21

Photohalbleiter

.

383

21.1

Photometrie Photowiderstand Photodioden . . Photohalbleiter mit drei Elektroden Leuchtdioden

383 386 387 388 390

21.2 21.3 21.4 21.5

Literatur. . .

391

Sachverzeichnis

393