U. Tietze • Ch. Schenk

Halbleiter-Schaltungstechnik Neunte, neu bearbeitete und erweiterte Auflage Zweiter aktualisierter Nachdruck

Mit 1166 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest 1991

Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1 Erklärung der verwendeten Größen

1

2 Passive RC- und LÄC-Netzwerke

9

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Der Tiefpaß Der Hochpaß Kompensierter Spannungsteiler Passiver J?C-Bandpaß Wien-Robinson-Brücke Doppel-T-Filter Schwingkreis

9 14 17 17 19 20 22

3 Dioden

23

3.1 3.2 3.3

23 26 27

Kennlinien und charakteristische Daten Z-Dioden Kapazitätsdioden

4 Bipolartransistoren 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Kennlinien und Kleinsignalparameter Grenzdaten Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung, Emitterfolger Transistor als Konstantstromquelle Darlington-Schaltung Differenzverstärker Messung einiger Transistorparameter Das Transistor-Rauschen

5 Feldeffekttransistoren 5.1 5.2 5.3

Klassifikation Kennlinien und Kleinsignalparameter Grenzdaten

28 29 33 38 55 56 59 64 66 76 78 83 83 85 88

VIII

Inhaltsverzeichnis

5.4 5.5 5.6 5.7

Grundschaltungen Fet als Konstantstromquelle Fet-Differenzverstärker Fet als steuerbarer Widerstand

6 Optoelektronische Bauelemente 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7

Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Phototransistor Leuchtdioden Optokoppler Optische Anzeige

7 Operationsverstärker 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

Eigenschaften eines Operationsverstärkers Prinzip der Gegenkopplung Nicht-invertierender Verstärker Invertierender Verstärker Innerer Aufbau von Operationsverstärkern Integrierte Standard-Operationsverstärker Frequenzgang-Korrektur Messung von Operationsverstärker-Daten Typenübersicht

8 Kippschaltungen 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5

Der Transistor als digitales Bauelement Kippschaltungen mit gesättigten Transistoren . . . . Kippschaltungen mit emittergekoppelten Transistoren Kippschaltungen mit Gattern Kippschaltungen mit Komparatoren

9 Logische Grundschaltungen 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7

Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Verbindungsleitungen Kombinatorische Logik (Schaltnetze) Abhängigkeitsnotation

89 94 97 99 102 102 104 106 108 109 110 111 122 122 129 132 135 137 140 143 157 158 164 164 168 174 176 180 192 192 196 200 201 221 224 229

Inhaltsverzeichnis

10 Schaltwerke (Sequentielle Logik) 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7

Integrierte Flip-Flops Dualzähler BCD-Zähler im 8421-Code Vorwahlzähler Schieberegister Aufbereitung asynchroner Signale Systematischer Entwurf von Schaltwerken

11 Halbleiterspeicher 11.1 11.2 11.3 11.4

IX

232 232 240 249 252 253 255 261 271

Schreib-Lese-Speicher (RAM) RAM-Erweiterungen Festwertspeicher (ROM) Programmierbare logische Bauelemente (PLD)* . . .

273 282 293 302

Teil IL Anwendungen 12 Lineare und nichtlineare Analogrechenschaltungen 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9

Addierer Subtrahierer Bipolares Koeffizientenglied Integratoren Differentiatoren Lösung von Differentialgleichungen Funktionsnetzwerke Analog-Multiplizierer Koordinatentransformation

13 Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7

Spannungsgesteuerte Spannungsquellen Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen Stromgesteuerte Stromquellen Der NIC (Negative Impedance Converter) DerGyrator Der Zirkulator

14 Aktive Filter. 14.1 Theoretische Grundlagen von Tiefpaßfiltern 14.2 Tiefpaß-Hochpaß-Transformation

314 314 315 319 320 326 329 331 348 361 364 364 365 367 379 380 383 387 391 391 413

X

Inhaltsverzeichnis

14.3 Realisierung von Tief- und Hochpaßfiltern 1. Ordnung 14.4 Realisierung von Tief- und Hochpaßfiltern 2. Ordnung. 14.5 Realisierung von Tief- und Hochpaßfiltern höherer Ordnung 14.6 Tiefpaß-Bandpaß-Transformation 14.7 Realisierung von Bandpaßfiltern 2. Ordnung . . . . 14.8 Tiefpaß-Bandsperren-Transformation 14.9 Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung 14.10 Allpässe 14.11 Einstellbare Universalfilter 14.12 Switched-Capacitor-Filter* . . . 15 Signalgeneratoren 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

LC-Oszillatoren Quarzoszillatoren Wien-Brücken-Oszillatoren Analogrechner-Oszillatoren Funktionsgeneratoren . . .

16 Breitbandverstärker 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9

Frequenzabhängigkeit der Stromverstärkung . . . . Einfluß von Transistor- und Schaltkapazitäten . . . Kaskodeschaltung Differenzverstärker als Breitbandverstärker Symmetrische Breitbandverstärker Breitband-Spannungsfolger Breitband-Operationsverstärker Transimpedanz-Verstärker* Breitband-Verbundverstärker

17 Leistungsverstärker 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8

Emitterfolger als Leistungsverstärker Komplementäre Emitterfolger Komplementäre Darlington-Schaltungen Komplementäre Sourcefolger Elektronische Strombegrenzung Vier-Quadranten-Betrieb Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstärkung . . .

414 416 421 424 429 434 435 438 443 450 458 458 466 472 476 479 488 488 490 492 493 494 500 502 504 508 511 511 513 519 521 523 525 527 530

Inhaltsverzeichnis

XI

17.9 Erhöhung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstärker

532

18 Stromversorgung 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7

534

Eigenschaften von Netztransformatoren Netzgleichrichter Lineare Spannungsregler Erzeugung der Referenzspannung . . . . . . . . . Schaltnetzgeräte Sekundärgetaktete Schaltregler Primärgetaktete Schaltregler

534 535 542 555 561 563 571

19 Digitale Rechenschaltungen 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7

587

Zahlendarstellung Code-Umsetzer Schiebelogik (Barrel Shifter) . Komparatoren Addierer Multiplizierer Digitale Funktionsnetzwerke

587 595 601 603 605 613 618

20 Mikrocomputer-Grundlagen 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6

622

Grundstruktur eines Mikrocomputers Arbeitsweise eines Mikroprozessors Befehls-Satz Entwicklungshilfen Typenübersicht Minimal-Systeme

'622 624 631 645 650 656

21 Modularer Aufbau von Mikrocomputern 21.1 21.2 21.3 21.4 21.5 21.6 21.7 21.8 21.9 21.10 21.11

Mikroprozessor-Platine . .' Speicher-Platine Programmierung von EPROMs Parallele Schnittstelle Serielle Schnittstelle IEC-Bus-Schnittstelle Programmierbarer Zähler Interrupt-Controller Direkter Speicherzugriff (DMA) Arithmetik-Prozessor Datenausgabe auf Anzeigeeinheiten

666 .

666 671 675 678 682 695 700 702 704 707 712

XII

Inhaltsverzeichnis

21.12 Video-Ausgabe 21.13 Analog-Ein-/Ausgabe 21.14 Spezielle Peripherieschaltungen

715 723 727

22 Analogschalter und Abtast-Halte-Glieder 22.1 22.2 22.3 22.4

Anordnung der Schalter Elektronische Schalter Analogschalter mit Verstärkern Abtast-Halte-Glieder

23 DA-und AD-Umsetzer 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 23.8

Grundprinzipien der DA-Umsetzung DA-Umsetzer in CMOS-Trechnologie DA-Umsetzer in Bipolartechnologie DA-Umsetzer für spezielle Anwendungen Genauigkeit von DA-Umsetzern Grundprinzipien der AD-Umsetzung . Genauigkeit von AD-Umsetzern Ausführung von AD-Umsetzern

24 Digitale Filter* . 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5 24.6 24.7 24.8

Abtasttheorem Digitale Übertragungsfunktion Grundstrukturen Berechnung von FIR-Filtern Realisierung von FIR-Filtern Berechnung von IIR-Filtern Realisierung von IIR-Filtern Vergleich von FIR-und IIR-Filtern

25 Meßschaltungen 25.1 Spannungsmessung* 25.2 Strommessung 25.3 Meßgleichrichter (AC/DC-Converter) 26 Sensorik* 26.1 Temperaturmessung 26.2 Druckmessung 26.3 Feuchtemessung

730

. . .

730 731 743 745 751 751 752 757 759 766 769 770 774 791 792 798 803 807 829 833 842 850 852 852 864 866 886 889 908 920

/

Inhaltsverzeichnis

XIII

26.4 Übertragung von Sensorsignalen 26.5 Eichung von Sensorsignalen

925 931

27 Elektronische Regler 27.1 27.2 27.3 27.4

Grundlagen Regler-Typen Regelung nichtlinearer Strecken Nachlaufsynchronisation (PLL)

940 940 941 951 954

28 Anhang

968

28.1 28.2 28.3 28.4

968 980 998 999

Halbleiter-Hersteller und Distributoren Typen der 7400-Logik-Familien* Normwert-Reihen Farbcode

Literatur

1001

Verzeichnis der Tabellen über integrierte Schaltungen

1009

Sachverzeichnis

1011

* neu bzw. neu bearbeitet