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Lehr- und Übungsbuch Elektronik

Analog- und Digitalelektronik

Autor	Friedrich Hoppe, Günther Koß, Wolfgang Reinhold
Verlag	Carl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr	2005
Seitenanzahl	409 Seiten
ISBN	9783446403918
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	29,99 EUR

Das Lehrbuch führt die Studenten im Grundstudium in die Elektroniklehrveranstaltungen Bauelemente, Schaltungs- sowie Analog- und Digitaltechnik ein. Die durchgängige Systematik erleichtert die Einarbeitung in das Gesamtgebiet. Das Buch bietet Aufgabenstellungen, Lösungswege und mathematisches Handwerkszeug.
Der Schwerpunkt der 3. Auflage liegt auf einer durchgängigen Aktualisierung und Überarbeitung zu mehr Anschaulichkeit sowie ausführlicheren Erläuterungen und Beispielen. Stark erweitert sind die Abschnitte Operationsverstärker und Schaltungen mit Operationsverstärkern sowie eine vertiefende Einführung in die Digitaltechnik. Das Kapitel Digitaltechnik ist stark aktualisiert und der Teil Signalprozessor völlig neu gefasst.
Im Internet: Aufgabenlösungen, Zusatzinformationen

Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Reinhold lehrt Elektronische Schaltungstechnik und Schaltungsentwurf an der HTWK Leipzig.

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Kapitelübersicht

Inhaltsverzeichnis, Vorwort und Formelzeichenverzeichnis
Elektronische Bauelemente: Physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik und Halbleiterdioden
Elektronische Bauelemente: Bipolartransistoren
Elektronische Bauelemente: Thyristoren
Elektronische Bauelemente: Feldeffekttransistoren
Elektronische Bauelemente: Rauschen elektronischer Bauelemente, Operationsverstärker, Optoelektronische Bauelemente und Halbleitersensoren
Analogtechnik: Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen und Lineare Verstärkergrundschaltungen
Analogtechnik: Gegenkopplung und Schaltungen mit Operationsverstärkern
Analogtechnik: Aktive Filter und Oszillatoren
Analogtechnik: Stromversorgungseinheiten, Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler
Digitaltechnik: Einleitung, Codierung, Schaltkreisreihen und Schaltalgebra
Digitaltechnik: Synthese und Analyse kombinatorischer Schaltungen und Entwurf synchroner sequenzieller Schaltungen (Schaltwerke)
Digitaltechnik: Anwenderspezifische digitale Schaltkreise und Hardware-Beschreibungs-Sprachen und Halbleiterspeicher
Digitaltechnik: Mikroprozessorsysteme
Digitaltechnik: Mikrocontroller und Signalprozessoren
Sachwortverzeichnis

Leseprobe

2 Analogtechnik (S. 103-104)

Die Analogtechnik umfasst alle schaltungstechnischen Lösungen zur Verarbeitung kontinuierlicher Signale. Diese Signale sind im allgemeinen Ströme und Spannungen, deren Informationsgehalt durch stetige Zeitfunktionen beschreibbar ist. Elektronische Schaltungen realisieren signalverarbeitende Funktionen durch Netzwerke aus elektronischen Bauelementen. Die wichtigsten Funktionseinheiten sind in Tabelle 2.1 zusammengestellt.

Diese werden durch charakteristische Baugruppen realisiert. Durch Zusammenschalten solcher Funktionseinheiten lassen sich komplexe signalverarbeitende Systeme zusammensetzen.

Für alle wichtigen Funktionseinheiten existieren zahlreiche schaltungstechnische Umsetzungen, bei denen sich die funktionelle Qualität und der Bauelementeaufwand proportional verhalten. In den meisten Fällen werden die Funktionsgruppen durch die Kombination von typischen analogen Grundschaltungen realisiert. Die Kenntnis dieser universell einsetzbaren Baublöcke gehört zum wichtigsten Handwerkszeug des Schaltungstechnikers. Zu ihnen gehören Verstärkerstufen, Differenzstufen, Stromspiegel, Referenzspannungsquellen, Stromquellen und Leistungsendstufen.

2.1 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen

2.1.1 Ersatzschaltbilder

Ersatzschaltbilder stellen eine elektrische Interpretation der Funktion eines elektronischen Bauelementes bzw. einer elektronischen Baugruppe in Form eines Netzwerkes (elektrisches Netzwerkmodell des realen Bauelementes) dar. Die komplexe Funktion des Bauelementes oder der Baugruppe wird in einem Ersatzschaltbild in einige wichtige Teilfunktionen zergliedert. Die Netzwerkelemente widerspiegeln einzelne Eigenschaften bzw. Teilfunktionen. Direkte Zusammenhänge bestehen zwischen messbaren Kennlinien eines Bauelementes, den Ersatzschaltbildelementen und den Kennliniengleichungen. Die Genauigkeit der Repräsentation des realen Verhaltens wird entsprechend den Notwendigkeiten gewählt. Auf der Basis der Ersatzschaltbilder wird eine überschaubare Netzwerkberechnung der Gesamtschaltung (Bauelement mit äußerer Beschaltung) möglich.

Wichtige Elemente von Ersatzschaltbildern sind Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Konstantstrom- und Spannungsquellen sowie gesteuerte Quellen (stromgesteuerte Stromund Spannungsquellen, spannungsgesteuerte Strom- und Spannungsquellen).

Gesteuerte Quellen.

Die Ströme bzw. Spannungen dieser Quellen sind von anderen Zweigspannungen bzw. Zweigströmen der Ersatzschaltung abhängig. Ursache und Wirkung der Steuerung liegen an verschiedenen Stellen in der Ersatzschaltung (siehe Bild 2.1).

Inhaltsverzeichnis

Vorwort	6
Vorwort zur 3. Auflage	7
Inhaltsverzeichnis	8
Formelzeichenverzeichnis	15
1 Elektronische Bauelemente	18
1.1 Physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik	18
1.1.1 Eigenleitung	18
1.1.2 Halbleiter mit Störstellen	19
1.1.3 Generationsmechanismen	22
1.1.4 Ladungsträgertransportmechanismen	23
1.1.5 Aufgaben	24
1.2 Halbleiterdioden	24
1.2.1 pn-Übergang	24
1.2.2 Kleinsignalverhalten	29
1.2.3 Schaltverhalten	30
1.2.4 Temperaturverhalten	32
1.2.5 Spezielle Dioden und ihre Anwendungen	33
1.2.6 Mikrowellendioden	38
1.2.7 Aufgaben	40
1.3 Bipolartransistoren	41
1.3.1 Wirkprinzip	41
1.3.2 Strom-Spannungs-Kennlinie	42
1.3.3 Nutzbarer Betriebsbereich	46
1.3.4 Bipolartransistor als Verstärker	48
1.3.5 Temperaturverhalten	53
1.3.6 Arbeitspunktabhängigkeit der Stromverstärkung	55
1.3.7 Bipolartransistor als elektronischer Schalter	55
1.3.8 Aufgaben	59
1.4 Thyristoren	61
1.4.1 Aufbau undWirkungsweise	61
1.4.2 Thyristorvarianten	62
1.4.3 Anwendungen von Thyristoren	63
1.4.4 Aufgaben	66
1.5 Feldeffekttransistoren	66
1.5.1 MOSFET	66
1.5.2 Sperrschicht-FET	78
1.5.3 Aufgaben	79
1.6 Rauschen elektronischer Bauelemente	81
1.6.1 Widerstandsrauschen	81
1.6.2 Diodenrauschen	82
1.6.3 Transistorrauschen	83
1.6.4 Rauschspannung	84
1.6.5 Rauschfaktor	84
1.6.6 Aufgabe	85
1.7 Operationsverstärker	85
1.7.1 Der ideale Operationsverstärker	86
1.7.2 Aufbau eines Operationsverstärkers	86
1.7.3 Statische Kenngrößen realer Operationsverstärker	87
1.7.4 Dynamisches Verhalten von Operationsverstärkern	90
1.7.5 Rauschen in Operationsverstärkern	91
1.7.6 Moderne Operationsverstärkertypen	92
1.7.7 Aufgaben	94
1.8 Optoelektronische Bauelemente und Halbleitersensoren	94
1.8.1 Fotosensoren	94
1.8.2 Leuchtdioden	97
1.8.3 Optokoppler	99
1.8.4 Spezielle Halbleitersensoren	99
1.8.5 Aufgaben	102
2 Analogtechnik	104
2.1 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen	104
2.1.1 Ersatzschaltbilder	104
2.1.2 Groß- und Kleinsignalanalyse	105
2.1.3 Kleinsignalersatzschaltung	106
2.1.4 Vierpoldarstellung	107
2.1.5 Darstellung des Übertragungsverhaltens	111
2.1.6 Signalflussdarstellung	112
2.1.7 Computergestützte Netzwerkanalyse	113
2.1.8 Aufgaben	114
2.2 Lineare Verstärkergrundschaltungen	115
2.2.1 Grundmodell eines Spannungsverstärkers	115
2.2.2 Einstufige Verstärker mit Bipolartransistoren	116
2.2.3 Einstufige Verstärker mit Feldeffekt- Transistoren	124
2.2.4 Grundschaltungen mit mehreren Transistoren	125
2.2.5 Frequenzverhalten von Verstärkerstufen	139
2.2.6 Kopplung von Verstärkerstufen	142
2.2.7 Aufgaben	143
2.3 Gegenkopplung	145
2.3.1 Allgemeines Modell der Gegenkopplung	146
2.3.2 Schaltungsarten der Gegenkopplung	147
2.3.3 Effekte der Gegenkopplung	148
2.3.4 Anwendungen der Gegenkopplungsvarianten	152
2.3.5 Stabilität rückgekoppelter Verstärker	156
2.3.6 Frequenzgangkorrektur von Verstärkern	158
2.3.7 Aufgaben	159
2.4 Schaltungen mit Operationsverstärkern	160
2.4.1 Lineare Verstärker	160
2.4.2 Rechenschaltungen	162
2.4.3 Nichtlineare Schaltungen	166
2.4.4 Komparatoren und Schmitt-Trigger	166
2.4.5 Signalformung	168
2.4.6 Stromquellen	169
2.4.7 Schaltungstechnik mit modernen Operationsverstärkern	170
2.4.8 Aufgaben	174
2.5 Aktive Filter	175
2.5.1 Aktive Filter	179
2.5.2 Universalfilter	188
2.5.3 SC-Filter	190
2.5.4 Aufgaben	192
2.6 Oszillatoren	192
2.6.1 Grundstruktur und Schwingbedingung	193
2.6.2 RC-Oszillatoren	193
2.6.3 LC-Oszillatoren	196
2.6.4 Quarzoszillatoren	197
2.6.5 Aufgaben	198
2.7 Stromversorgungseinheiten	198
2.7.1 Gleichrichterschaltungen	199
2.7.2 Spannungsstabilisierung	201
2.7.3 Erzeugung von Referenzspannungen	203
2.7.4 Aufgaben	205
2.8 Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler	205
2.8.1 Kennwerte von A/D-Wandlern	205
2.8.2 A/D-Wandlungsverfahren	207
2.8.3 Grundprinzipien der D/ A- Wandlung	209
2.8.4 Aufgaben	213
3 Digitaltechnik	214
3.1 Einleitung	214
3.2 Codierung	217
3.2.1 Das Bit	217
3.2.2 Begriff der Codierung	219
3.2.3 Technisch bedeutsame Codes	220
3.2.4 Sicherung von Codes gegen Fehler	227
3.2.5 Aufgaben	228
3.3 Schaltkreisreihen	229
3.3.1 Bipolare Schaltkreisreihen	230
3.3.2 Unipolare Schaltkreisreihen	235
3.3.3 Aufgaben	238
3.4 Schaltalgebra	238
3.4.1 Schaltfunktionen	239
3.4.2 Schaltfunktionen und Schalt( er) netze	241
3.4.3 Gesetze und Rechenregeln der Schaltalgebra	241
3.4.4 Schaltfunktionen und Wertetabelle	243
3.4.5 Minimierung von Schaltfunktionen	245
3.4.6 NAND-NAND- und NOR- NOR- Strukturen	247
3.4.7 OR-NAND- und AND- NOR- Strukturen	249
3.4.8 Aufgaben	249
3.5 Synthese und Analyse kombinatorischer Schaltungen	249
3.5.1 Begriff der kombinatorischen Schaltung	249
3.5.2 Entwurf technisch bedeutsamer Funktionsgruppen	250
3.5.3 Entwurf kombinatorischer Schaltungen mit Multiplexern	258
3.5.4 Entwurf kombinatorischer Schaltungen mit Festwertspeichern ( ROM)	260
3.5.5 Analyse kombinatorischer Schaltungen	265
3.5.6 Aufgaben	266
3.6 Entwurf synchroner sequenzieller Schaltungen (Schaltwerke)	266
3.6.1 Flipflop	266
3.6.2 Synthese und Analyse synchroner sequenzieller Schaltungen	272
3.6.3 Kippschaltungen mit Digitalschaltkreisen	291
3.6.4 Aufgaben	296
3.7 Anwenderspezifische digitale Schaltkreise und Hardware-Beschreibungs-Sprachen	297
3.7.1 Schaltungsrealisierung in PAL	298
3.7.2 Schaltungsrealisierung mit FPGA	302
3.7.3 VHDL	304
3.7.4 Aufgaben	317
3.8 Halbleiterspeicher	320
3.8.1 Festwertspeicher	321
3.8.2 Schreib-Lese-Speicher	324
3.8.3 Erweiterung der Speicherkapazität	337
3.8.4 Aufgaben	341
3.9 Mikroprozessorsysteme	341
3.9.1 Elementarer Mikroprozessor	342
3.9.2 Mikroprozessorreihe 80x86	355
3.9.3 Assemblerprogrammierung	365
3.9.4 Aufgaben	370
3.10 Mikrocontroller	371
3.10.1 Architektur	371
3.10.2 Anwendungsbeispiele	373
3.10.3 Aufgaben	382
3.11 Signalprozessoren	383
3.11.1 Signalprozessoranwendungen	383
3.11.2 Signalprozessor-Strukturen	386
3.11.3 Der Signalprozessor DSP56303	387
3.11.4 DSP56303-Evaluation-Modul	389
3.11.5 Tasking-Entwicklungsumgebung	390
3.11.6 Beispielprogramme	391
3.11.7 Laufzeitanalyse	395
3.11.8 Aufgaben	396
Literaturverzeichnis	397
Elektronische Bauelemente	397
Analogtechnik	397
Digitaltechnik	399
Sachwortverzeichnis	400
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