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Wolfgang Reinhold
Elektronische Schaltungstechnik
Grundlagen der Analogelektronik
Vorwort
6
Inhalt
8
1 Physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik
14
1.1 Leitfähigkeit von Halbleitern
14
1.1.1 Eigenleitung
14
1.1.2 Halbleiter mit Störstellen
16
1.2 Ladungsträgergeneration in Halbleitern
20
1.3 Ladungsträgertransport in Halbleitern
21
1.4 Aufgaben
22
2 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen
23
2.1 Analysemethoden und -werkzeuge zur Schaltungsberechnung
24
2.1.1 Ersatzschaltbilder
26
2.1.2 Groß- und Kleinsignalanalyse
27
2.1.3 Kleinsignalersatzschaltung
28
2.2 Vierpoldarstellung
29
2.3 Zusammenschaltung von Vierpolen
33
2.4 Vierpole mit äußerer Beschaltung
34
2.5 Darstellung des Übertragungsverhaltens
35
2.6 Signalflussdarstellung
37
2.7 Computergestützte Netzwerkanalyse
38
2.8 Aufgaben
40
3 Halbleiterdioden
42
3.1 pn-Übergang
42
3.1.1 Wirkprinzip
42
3.1.2 Strom-Spannungs-Kennlinie
46
3.1.3 Ladungsspeicherung
47
3.2 Kleinsignalverhalten
48
3.3 Schaltverhalten
51
3.4 Temperaturverhalten
53
3.5 Spezielle Dioden und ihre Anwendungen
54
3.5.1 Gleichrichterdiode
54
3.5.2 Z-Diode
57
3.5.3 Kapazitätsdiode
59
3.5.4 Tunneldiode
61
3.5.5 Schottky-Diode
61
3.6 Mikrowellendioden
62
3.6.1 IMPATT-Diode
62
3.6.2 Gunn-Diode
63
3.7 Aufgaben
64
4 Bipolartransistoren
66
4.1 Wirkprinzip
66
4.2 Strom-Spannungs-Kennlinie
68
4.3 Nutzbarer Betriebsbereich
73
4.4 Bipolartransistor als Verstärker
75
4.4.1 Kleinsignalmodell des Bipolartransistors
76
4.4.2 Frequenzabhängigkeit des Übertragungsverhaltens des Bipolartransistors
79
4.5 Temperaturverhalten von Bipolartransistoren
84
4.6 Arbeitspunktabhängigkeit der Stromverstärkung
86
4.7 Bipolartransistor als elektronischer Schalter
87
4.7.1 Schaltung eines Transistorschalters
87
4.7.2 Stationäres Schaltermodell des Bipolartransistors
88
4.7.3 Dynamisches Verhalten eines Transistorschalters
89
4.8 Aufgaben
92
5 Thyristoren
96
5.1 Aufbau und Wirkungsweise
96
5.2 Thyristorvarianten
98
5.3 Anwendungen von Thyristoren
99
5.4 Aufgaben
102
6 Feldeffekttransistoren
103
6.1 MOSFET
104
6.1.1 Wirkprinzipien verschiedener MOSFET-Typen
104
6.1.2 Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOSFET
105
6.1.3 Ableitung der Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOSFET
109
6.1.4 MOSFET als Verstärker
111
6.1.4.1 Kleinsignalmodell des MOSFET
111
6.1.4.2 Frequenzabhängigkeit des Übertragungsverhaltens
114
6.1.4.3 Effekte bei integriertem MOSFET
115
6.1.5 MOSFET als elektronischer Schalter
116
6.1.6 Thermisches Verhalten des MOSFET
118
6.2 Sperrschicht-FET
119
6.2.1 Strom-Spannungs-Kennlinie eines SFET
120
6.2.2 Kleinsignalverhalten eines SFET
120
6.3 SFET als Verstärker
121
6.4 Aufgaben
123
7 Rauschen elektronischer Bauelemente
126
7.1 Widerstandsrauschen
126
7.2 Diodenrauschen
128
7.3 Transistorrauschen
129
7.4 Rauschspannung
130
7.5 Rauschfaktor
131
7.6 Aufgabe
133
8 Operationsverstärker
134
8.1 Der ideale Operationsverstärker
134
8.2 Aufbau eines Operationsverstärkers
135
8.3 Statische Kenngrößen realer Operationsverstärker
136
8.4 Dynamische Kenngrößen realer Operationsverstärker
140
8.5 Verstärkerschaltungen mit Operationsverstärker
141
8.5.1 Grundschaltungen eines Spannungsverstärkers
142
8.5.2 Kompensation von Offsetspannung und Offsetstrom des Operationsverstärkers
143
8.6 Dynamisches Verhalten von Operationsverstärkerschaltungen
144
8.7 Rauschen in Operationsverstärkern
146
8.8 Moderne Operationsverstärkertypen
147
8.9 Aufgaben
149
9 Optoelektronische Bauelemente und Halbleitersensoren
151
9.1 Fotosensoren
151
9.2 Leuchtdioden
154
9.3 Optokoppler
157
9.4 Spezielle Halbleitersensoren
157
9.4.1 Temperatursensoren
157
9.4.2 Magnetfeldsensoren
159
9.4.3 Piezowandler
160
9.5 Aufgaben
161
10 Lineare Verstärkergrundschaltungen
163
10.1 Allgemeines Kleinsignalmodell eines Spannungsverstärkers
163
10.2 Einstufige Verstärker mit Bipolartransistoren
165
10.2.1 Emitterschaltung
166
10.2.2 Basisschaltung
174
10.2.3 Kollektorschaltung (Emitterfolger)
176
10.2.4 Vergleich der einstufigen Transistorverstärkerschaltungen
178
10.3 Einstufige Verstärker mit Feldeffekt-Transistoren
179
10.4 Grundschaltungen mit mehreren Transistoren
180
10.4.1 Kaskodeschaltung
180
10.4.2 Differenzverstärker
182
10.4.3 Stromspiegel
186
10.4.4 Differenzverstärker mit Stromspiegellast
189
10.4.5 Transistor-Stromquellen
190
10.4.6 Darlington-Schaltung
193
10.4.7 Leistungsendstufen
194
10.5 Frequenzverhalten von Verstärkerstufen
200
10.6 Kopplung von Verstärkerstufen
201
10.7 Aufgaben
202
11 Gegenkopplung
207
11.1 Allgemeines Modell der Gegenkopplung
207
11.2 Schaltungsarten der Gegenkopplung
209
11.3 Effekte der Gegenkopplung
210
11.3.1 Einstellung eines definierten Übertragungsfaktors
210
11.3.2 Linearisierung des Übertragungsfaktors
210
11.3.3 Parameterempfindlichkeit
212
11.3.4 Einfluss der Gegenkopplung auf Ein- und Ausgangsimpedanz
213
11.3.5 Übertragungsbandbreite
215
11.3.6 Miller-Effekt
216
11.3.7 Bootstrap-Effekt
217
11.3.8 Gezielte Beeinflussung des Frequenzganges eines Verstärkers
217
11.4 Anwendungen der Gegenkopplungsvarianten
218
11.4.1 Operationsverstärkerschaltungen mit Gegenkopplung
218
11.4.2 Transistorschaltungen mit Gegenkopplung
220
11.5 Stabilität rückgekoppelter Verstärker
223
11.6 Frequenzgangkorrektur von Verstärkern
226
11.7 Aufgaben
228
12 Schaltungen mit Operationsverstärkern
230
12.1 Lineare Verstärker
230
12.1.1 Nicht invertierender Verstärker
230
12.1.2 Invertierender Verstärker
231
12.2 Rechenschaltungen
232
12.2.1 Addierer
232
12.2.2 Subtrahierer
233
12.2.3 Differenzierer
236
12.2.4 Integrator
239
12.2.5 Multiplizierer
242
12.2.6 Dividierer
243
12.3 Nichtlineare Schaltungen
243
12.4 Komparatoren und Schmitt-Trigger
244
12.5 Stromquellen
246
12.6 Schaltungstechnik mit modernen Operationsverstärkern
247
12.6.1 VC-OPV und seine Anwendung
247
12.6.2 CV-OPV als Hochfrequenz-Baublock
249
12.6.3 CC-OPV und seine Anwendung als idealer Transistor
251
12.7 Elektronische Regler
252
12.7.1 P-Regler
253
12.7.2 PI-Regler
253
12.7.3 PID-Regler
254
12.8 Aufgaben
257
13 Filterschaltungen
258
13.1 Filtereigenschaften und Kennwerte
258
13.2 Passive Filter
263
13.3 Aktive RC-Filter
267
13.3.1 Tiefpässe 2. Ordnung
267
13.3.2 Hochpässe 2. Ordnung
272
13.3.3 Bandpässe 2. Ordnung
275
13.3.4 Bandsperren 2. Ordnung
279
13.4 Universalfilter
281
13.5 SC-Filter
282
13.5.1 SC-Integrator
282
13.5.2 Schaltungsrealisierung von SC-Filtern
284
13.6 Aufgaben
285
14 Schwingungserzeugung
287
14.1 Sinusoszillatoren
287
14.1.1 Zweipoloszillatoren
287
14.1.2 Vierpoloszillatoren
290
14.1.2.1 Grundstruktur und Schwingbedingung
290
14.1.2.2 RC-Oszillatoren
291
14.1.2.3 LC-Oszillatoren
294
14.1.2.4 Quarzoszillatoren
296
14.2 Impulsoszillatoren
299
14.2.1 Funktionsgeneratoren
299
14.2.2 Relaxationsoszillatoren
300
14.2.2.1 Dreieck-Rechteck-Generator
300
14.2.2.2 Kippschaltungen
301
14.3 Aufgaben
303
15 Frequenzumsetzer
304
15.1 Amplitudenmodulation
305
15.1.1 AM-Modulatoren
306
15.1.2 AM-Demodulatoren
308
15.2 Frequenzmodulation
311
15.2.1 FM-Modulatoren
314
15.2.2 FM-Demodulatoren
315
15.3 Phasenmodulation
316
15.3.1 PM-Modulatoren
317
15.3.2 PM-Demodulatoren
318
15.4 Mischer
318
16 Stromversorgungseinheiten
322
16.1 Gleichrichterschaltungen
322
16.2 Spannungsstabilisierung
326
16.2.1 Ungeregelte Stabilisierungsschaltungen
327
16.2.2 Kontinuierliche Spannungsregler
327
16.2.3 Diskontinuierliche Spannungsregler
329
16.2.3.1 Drosselregler
330
16.2.3.2 Ladungspumpen
334
16.3 Erzeugung von Referenzspannungen
336
16.3.1 Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden
336
16.3.2 Bandgap-Referenz
337
16.4 Schaltnetzteile
339
16.5 Aufgaben
342
17 Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler
343
17.1 Kennwerte von A/D- und D/A-Wandlern
344
17.1.1 Stationäre Kennwerte
344
17.1.2 Dynamische Kennwerte
347
17.2 A/D-Wandlungsverfahren
348
17.2.1 A/D-Wandlung nach dem Zählverfahren
349
17.2.2 A/D-Wandlung mit sukzessiver Approximation
351
17.2.3 A/D-Wandlung nach dem Parallelverfahren
351
17.2.4 A/D-Wandlung nach dem Pipeline-Verfahren
352
17.2.5 Sigma-Delta-Wandler
353
17.3 D/A-Wandlungsverfahren
355
17.3.1 D/A-Wandlung nach dem Zählverfahren
356
17.3.2 D/A-Wandlung nach dem Wägeverfahren
357
17.3.3 D/A-Wandlung nach dem Parallelverfahren
360
17.3.4 Fehlerkorrigierende D/A-Wandlung
360
17.4 Aufgaben
361
Formelzeichen
363
Literatur
366
Index
370
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