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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch führt in die Prinzipien und die Funktionsweise von Bauelementen und Schaltungen ein und macht den Leser mit den Herstellungsverfahren integrierter Schaltungen vertraut.

Nach einer verständlichen Einführung in die Halbleiterphysik behandelt der Autor die wichtigsten Bauelemente und Grundschaltungen und leitet die entsprechenden Gleichungen so ab, dass der Leser die Vorgehensweise auch auf andere, komplexe Schaltungen übertragen kann. Neben den analogen Grundschaltungen - vom einstufigen Spannungsverstärker bis zum integrierten Operationsverstärker - gibt das Buch eine Übersicht über den Entwurf digitaler Schaltungen in CMOS-Technologie. Eine Einführung in die Technologie zur Herstellung integrierter CMOS-Schaltungen rundet den Inhalt des Buches ab.

Das interaktive Lernprogramm S.m.i.L.E ermöglicht es, komplexe Zusammenhänge mittels interaktiver Applets zu verstehen. Mit Hilfe von PSpice-Dateien kann der Leser die Funktion der im Buch vorgestellten Schaltungen an praktischen Beispielen selbst erproben.

Online-Materialien auf der Homepage zum Buch auf springer.com: PSpice-Dateien und die Studentenversion des Schaltungssimulators OrCAD-PSpice 9.1.

Die Zielgruppen

Zielgruppe des Lehrbuchs sind Studierende der Elektrotechnik und anderer technischer Studiengänge sowie in der Praxis stehende Ingenieure und Techniker, die ihre vorhandenen Kenntnisse auf dem Gebiet der Elektronik und Halbleiter-Schaltungstechnik vertiefen wollen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Grundlagen der Halbleiterphysik

Dieses Kapitel führt in die Grundlagen der Halbleiterphysik ein. Nach einer Einführung in das Konzept des Bänderdiagramms werden die wichtigsten Grundgleichungen der Halbleiterphysik abgeleitet. Auf dieser Basis werden dann der Ladungsträgertransport sowie der elektrische Strom physikalisch beschrieben. Die Behandlung von Ausgleichsvorgängen, die wesentlich für das Verständnis der elektronischen Bauelemente sind, beschließt dieses Kapitel.
Holger Göbel

2. Diode

In diesem Kapitel wird die Diode als das wichtigste Bauelement der Elektronik vorgestellt. Nach der Beschreibung des Aufbaus sowie der Funktion des pn-Übergangs wird zunächst die Diodengleichung abgeleitet. Danach wird das Großsignalverhalten der Diode modelliert und das Schaltverhalten untersucht. Entsprechend erfolgt die Beschreibung des Kleinsignalverhaltens durch Linearisierung der Diodengleichung. Ergänzt wird das Kapitel durch eine Beschreibung der Diode mit Hilfe des Bänderdiagramms sowie eine Einführung in die Physik der Metall-Halbleiterübergänge.
Holger Göbel

3. Bipolartransistor

Der Bipolartransistor als eines der wichtigsten aktiven Bauelemente der Elektronik ist Gegenstand dieses Kapitels. Zunächst wird der Aufbau und die Funktion des Bipolartransistors beschrieben, danach erfolgt die Ableitung der Transistorgleichungen sowie eine Beschreibung der unterschiedlichen Arbeitsbereiche. Bei der Modellierung des Bipolartransistors wird zunächst das Großsignalverhalten einschließlich des Schaltverhaltens und anschließend das Kleinsignalverhalten einschließlich des Frequenzverhaltens untersucht. Das Kapitel wird durch eine Beschreibung des Transistors mit Hilfe des Bänderdiagramms abgeschlossen.
Holger Göbel

4. Feldeffekttransistor

Der Feldeffekttransistor ist das wichtigste Bauelement der modernen Mikroelektronik. Dieses Kapitel führt zunächst in den Aufbau und die Funktion des Feldeffekttransistors ein und beschreibt die wichtigsten Transistortypen. Anschließend werden die Transistorgleichungen abgeleitet. Bei der Modellierung wird zunächst das Großsignalverhalten beschrieben und insbesondere das Schaltverhalten untersucht, anschließend wird das Kleinsignalverhalten behandelt. Die Beschreibung des Feldeffekttransistors mittels des Bänderdiagramms schließt dieses Kapitel ab.
Holger Göbel

5. Optoelektronische Bauelemente

Dieses Kapitel führt in die Physik der optoelektronischen Bauelemente ein. Dazu werden zunächst die wichtigsten Begriffe der Optoelektronik definiert und Effekte wie die Ladungsträgergeneration durch Photonen und der Photoeffekt beschrieben. Danach erfolgt die Beschreibung wichtiger optoelektronischer Bauelemente wie Fotowiderstand, -diode und -transistor sowie Solarzelle und Lumineszenzdiode.
Holger Göbel

6. Der Transistor als Verstärker

Der Transistor als Verstärker wird in diesem Kapitel vorgestellt. Anhand der Übertragungskennline einer einfachen Verstärkerschaltung werden zentrale Begriffe wie Verstärkung, Arbeitspunkt und Betriebsarten erläutert. Danach werden Konzepte zur Arbeitspunkteeinstellung gegenübergestellt und die Wechselstromanalyse einfacher Verstärkerschaltungen an mehreren Beispielen aufgezeigt. Ergänzend wird die Analyse von Verstärkern mit Stromspiegel als aktive Last sowie von mehrstufigen Verstärkern behandelt.
Holger Göbel

7. Transistorgrundschaltungen

Gegenstand dieses Kapitels sind die unterschiedlichen Grundschaltungen für Verstärker mit Bipolar- und Feldeffekttransistor. Im einzelnen werden die Emitter-, Kollektor- und Basisschaltung sowie die Source- Gate- und Drainschaltung untersucht und hinsichtlich ihrer wichtigsten Eigenschaften wie Spannungsverstärkung, Ein- und Ausgangswiderstand verglichen.
Holger Göbel

8. Operationsverstärker

Der Operationsverstärker als eine eigenständige Schaltung wird in diesem Kapitel eingeführt. Unter Berücksichtigung wichtiger Kenngrößen wie Differenz- und Gleichtaktverstärkung wird, ausgehend von dem einfachen Differenzverstärker, ein vollständiger, mehrstufiger Operationsverstärker aufgebaut und analysiert. Mit dem idealen Operationsverstärker wird schließlich gezeigt, wie sich wichtige Grundschaltungen wie Verstärker, Addierer oder Filterschaltungen aufbauen und analysieren lassen.
Holger Göbel

9. Frequenzverhalten analoger Schaltungen

In diesem Kapitel wird das Frequenzverhalten von analogen Schaltungen untersucht. Dazu werden zunächst wichtige Begriffe wie Amplituden- und Phasengang sowie die komplexe Übertragungsfunktion eingeführt. Danach wird der Zusammenhang zwischen der Übertragungsfunktion und der Grenzfrequenz aufgezeigt und es werden die Frequenzeigenschaften der wichtigsten Grundschaltungen beschrieben. Der Miller- Effekt sowie Methoden zur Abschätzung der Grenzfrequenzen sind ebenfalls Gegenstand dieses Kapitels.
Holger Göbel

10. Rückkopplung in Verstärkern

Die Rückkopplung in Verstärkerschaltungen ist ein wichtiges Hilfsmittel bei der Synthese von Schaltungen. In diesem Kapitel werden zunächst das grundlegende Prinzip vorgestellt und die Auswirkungen der Rückkopplung auf Eigenschaften wie Verstärkung, Frequenzgang und Verzerrungen untersucht. Danach werden die bei Verstärkern eingesetzten Rückkopplungsarten vorgestellt und analysiert. Ebenso wird auf den Zusammenhang zwischen Rückkopplung und Stabilität von Schaltungen eingegangen. Als Beispiele werden ein Oszillator untersucht sowie die Kompensation von Verstärkern anhand des mehrstufigen Operationsverstärkers beschrieben.
Holger Göbel

11. Logikschaltungen

Dieses Kapitel führt in das Design und die Analyse von Logikschaltungen ein. Es werden unterschiedliche Technologien wie DTL, TTL, NMOS und CMOS kurz vorgestellt; der Schwerpunkt des Kapitels liegt jedoch auf den in der Praxis am weitesten verbreiteten Schaltungen, den CMOS-Schaltungen. Dazu wird zunächst der CMOS-Inverter untersucht und anschließend der Entwurf komplexer CMOS-Logikschaltungen einschließlich deren Dimensionierung beschrieben.
Holger Göbel

12. Herstellung integrierter Schaltungen in CMOS-Technik

Gegenstand dieses Kapitels ist die Herstellung integrierter Schaltungen in CMOS-Technik. Zunächst wird die CMOS-Technologie kurz vorgestellt und der grundsätzliche Prozessablauf einschließlich der Photo-Lithografie beschrieben. Danach werden wichtige Prozessschritte zum Aufbringen und zum Entfernen von verschiedenen Schichten exemplarisch vorgestellt und schließlich ein vereinfachter CMOS-Prozess gezeigt. Ausgehend von dem physikalischen Aufbau der Schaltung werden dann die elektrischen Eigenschaften der einzelnen Entwurfsebenen abgeleitet.
Holger Göbel

13. Rechnergestützter Schaltungsentwurf

Der rechnergestützte Schaltungsentwurf ist das wichtigste Hilfsmittel beim Design elektronischer Schaltungen. In diesem Kapitel werden unterschiedliche Simulationswerkzeuge sowie Simulationsarten vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Schaltungssimulation, bei der die Schaltungstopologie mittels einer Netzliste abgebildet wird und anschließend die Netzwerkgleichungen numerisch gelöst werden. Das Aufstellen der Netzwerkgleichungen wird für die wichtigsten Elemente wie aktive und passive sowie nichtlineare Bauelemente und solche mit Energiespeichern gezeigt.
Holger Göbel

14. Anhang

In dem Anhang sind wichtige Werkzeuge zur Behandlung von Schaltungen zusammengestellt. Zunächst wird die Umwandlung von Zweipolen in äquivalente Strom- oder Spannungsquellen beschrieben. Es werden dann Regeln zur Bestimmung von Ein- und Ausgangswiderstand von Verstärkerschaltungen angegeben. Schließlich wird die Umrechnung von Vierpolen in Darstellungen mit g-, h-, y- und z-Parametern gezeigt.
Holger Göbel

Backmatter

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