Elektronik

Frontmatter

Einleitung

Zusammenfassung

Das Gebiet der Elektronik, insbesondere der Halbleiterelektronik, unterlag in den vergangenen Dekaden einer stürmischen. Entwicklung. Halbleiterelektronik wird in nahezu allen Bereichen der Technik angewandt und ist bei der Signalerfassung und -Verarbeitung so gut wie konkurrenzlos. Hervorstechende Eigenschaften sind Vielseitigkeit (z.B. eine breite Palette von Umsetzern nichtelektrischer in elektrische Signale und umgekehrt), hohe Übertragungsgeschwindigkeit (fast Lichtgeschwindigkeit), hohe Ansprechempfindlichkeit (rauscharme Elemente), kompakter Aufbau (integrierte Schaltungen, Mikroelektronik), gefahrloser Umgang (niedrige Versorgungsspannungen), sowie Wirtschaftlichkeit (Pfennigbeträge für integrierte Schaltungen) und Zuverlässigkeit.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

1. Lineare Netzwerkelemente

Zusammenfassung

Ein Netzwerk ist die modellhafte Abbildung einer elektrischen Schaltung. Es beschränkt sich auf das Wesentliche und dient dem Verständnis und der Berechnung der elektrischen Eigenschaften der Schaltung.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

2. Das Wechselstromverhalten von RCL-Schaltungen

Zusammenfassung

Das Wechselstromverhalten passiver linearer Netzwerke spielt in der Hochfrequenztechnik eine wichtige Rolle. Seine Berechnung läßt sich mit Hilfe der komplexen Schreibweise auf elementare Rechenoperationen zurückführen.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

3. Analyse linearer Netzwerke

Zusammenfassung

Die vollständige Analyse eines Netzwerkes aus aktiven Elementen (Spannungsquellen, Stromquellen) und passiven Elementen (Widerständen, Kondensatoren, Dioden usw.) ergibt die Spannungen zwischen beliebigen Punkten und die Ströme in beliebigen Zweigen des Netzwerkes in Abhängigkeit von der Zeit. Die Analyse ist mathematisch einfach für Netzwerke mit linearen Elementen, wie sie in Kapitel 1 beschrieben wurden.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

4. Das Impulsverhalten von RCL-Schaltungen

Zusammenfassung

Das Impulsverhalten passiver linearer Netzwerke wird durch sogenannte Antwortfunktionen (‘response functions’) beschrieben: Zu jedem Eingangssignal (Stromoder Spannungsimpuls) stellt die Antwortfunktion die zeitliche Abhängigkeit des Ausgangssignals (Strom- oder Spannungsimpuls) dar. Drei Verfahren können zur Gewinnung von Antwortfunktionen herangezogen werden:

• Berechnung der Antwortfunktionen eines Netzwerks für Stufenimpulse (auch Sprungfunktion genannt). Falten der hiervon ableitbaren charakteristischen Antwortfunktionen (g(t) in Abschnitt 4.5) mit dem Eingangssignal ergibt das Ausgangssignal.
• Man führt eine Fourier-Zerlegung des Eingangssignals durch und erhält ein kontinuierliches Frequenzspektrum, z.B. u_e(ω). Für jedes Element dw läßt sich mit Hilfe komplexer Impedanzen - wie in Kapitel 3 beschrieben - ein Element der Ausgangsfunktion, z.B. u_a (ω)dω, berechnen. Integration über dw ergibt die gesuchte Antwortfunktion.
• Man bildet die Laplace-Transformierte des Eingangssignals, die sich mit Hilfe von netzwerkspezifischen Funktionen auf einfache Weise in die Transformierte des Ausgangssignals umformen lassen. Die Rücktransformation ergibt die gesuchte Antwortfunktion.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

5. Dioden und Diodenschaltungen

Zusammenfassung

Unter Dioden versteht man zweipolige Bauelemente mit asymmetrischer Strom-Spannungskennlinie. Eine ideale Diode hat bei Polung in Vorwärts- oder Durchlaßrichtung einen unendlichen Leitwert, in Rückwärts- oder Sperrichtung einen unendlichen Widerstand. Früher verwendete man hierzu Röhren, heute durchweg Halbleiterdioden. Der bei ihnen vorherrschende Leitungsmechanismus, der PN-übergang, wird anhand der Flächendiode erklärt (Abschnitt 5.1). Bei Spezialdioden wird die eine oder andere spezielle Eigenschaft der Flächendiode durch geeignete Dotierung verstärkt nutzbar gemacht, oder es sind zusätzliche Leitungsmechanismen überlagert. Einige Beispiele werden in Abschnitt 5.2 besprochen. In Abschnitt 5.3 wird eine Auswahl von Diodenschaltungen behandelt, wobei die Kaskadenschaltung und Kippschaltungen mit Tunneldioden einen relativ breiten Raum einnehmen: Sie sind als Versuchsaufbau besonders geeignet, bereiten erfahrungsgemäß jedoch häufig Verständnisschwierigkeiten.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

6. Transistoren und Eintransistorschaltungen

Zusammenfassung

Transistoren sind drei- oder mehrpolige steuerbare Halbleiterbauelemente, die zur Strom- und/oder Spannungsverstärkung elektrischer Signale dienen.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

7. Weitere Transistorschaltungen

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wird auf einige lineare und nichtlineare Transistorschaltungen eingegangen. In den Abschnitten 7.1 und 7.2 werden zuvor allgemeine Begriffe erläutert, die bereits in Kapitel 6 benutzt worden sind, und deren Verständnis bei der Besprechung insbesondere auch von Schaltungen mit Operationsverstärkern benötigt wird.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

8. Feldeffekttransistoren (FETs)

Zusammenfassung

Feldeffekttransistoren (FETs) sind Halbleiterbauelemente, deren Leitfähigkeit zwischen den Elektroden Source (Quelle, S) und Drain (Senke, D) durch ein elektrisches Feld beeinflußt wird, welches man durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode (Tor, G) erzeugt. Hierbei werden bewegliche Elektronen (N-Leitung) oder Löcher (P-Leitung) aus dem selbstleitenden oder selbstsperrenden Kanal zwischen S und D verdrängt (Verdrängungs- oder ‘depletion type’ FET) beziehungsweise in ihm angereichert (Anreicherungs- oder ‘enhancement type’ FET). Hinsichtlich ihres Kleinsignalverhaltens können FETs (im Abschnürbereich) als spannungsgesteuerte Stromgeneratoren mit einer Transduktanz oder Steilheit S (in mA/V = mS) beschrieben werden.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

9. Der integrierte Operationsverstärker und seine Grundschaltungen

Zusammenfassung

Der integrierte Operationsverstärker (IOP oder auch OP-AMP genannt, von ‘operattional amplifier’) ist heute das Standardbauelement zur Realisierung analoger Schaltungen niedriger Ausgangsleistung. Der IOP besteht aus einem Differenzverstärker (Eingangsstufe), an den ein Spannungsverstärker (Zwischenstufe) und ein Impedanzwandler (Ausgangsstufe) angeschlossen sind. Der Aufbau erfolgt auf einem Halbleiterplättchen (‘chip’), wobei die Realisierung von Dioden und Transistoren technologisch einfacher ist als die von Widerständen und Kapazitäten, übliche Gehäuseformen sind die zylindrische Transistorform mit Metallkappe und mehreren Anschlußdrähten (ähnlich TO-5), die sehr verbreitete Maikäferform aus Plastik (Dil oder Mini-DIP, von ‘dual-in-line Package’) mit nach unten stehenden Lötfahnen (‘pins’) und die Wanze (‘flat pack’) mit kleineren Abmessungen aus Plastik oder keramik mit seitlich austretenden Anschlußdrähten. Letztere sind SMD-Bauteile (‘surface mounted device’), die nicht nur bei integrierten Schaltungen, sondern auch bei Komponenten wie Widerständen, Kondensatoren, Spulen, Dioden und Transistoren stark an Bedeutung gewinnen. Diese Miniaturbauteile werden in einem Arbeitsgang auf Platinen mit ‘gedruckten’ Verbindungsleitungen aufgelötet.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

10. Weitere Schaltungen mit Operationsverstärkern

Zusammenfassung

In diesem Kapitel beschreiben wir eine Auswahl von Schaltungen mit Operationsverstärkern, die zur Übung mit geringem Aufwand aufgebaut werden können. Dabei ist an die Verwendung des 741 gedacht. Seine Eigenschaften (positive und negative Versorgungsspannung und Gleichtaktaussteuerbarkeit in beide Richtungen) werden bei allen Schaltungen vorausgesetzt. Hinter jedem Schaltungstyp steht eine Vielzahl von Varianten mit verfeinerten oder weitergehenden Eigenschaften, auf die wir in diesem Rahmen allenfalls hinweisen können.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

11. Grundlagen der digitalen Elektronik

Zusammenfassung

Die Ein- und Ausgänge digitaler Schaltungen haben - im Rahmen gewisser Toleranzen - nur zwei diskrete Spannungswerte (bei TTL-Schaltungen 0.2 und 3.6 V). Diesen Werten ordnet man den Schaltwert 0 bzw. den Schaltwert 1 zu. Betrachtet man die Ein- und Ausgänge solcher Schaltungen als schaltalgebraische Variable, so ist ihr Schaltwert somit 0 oder 1.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

12. Digitale Kippschaltungen

Zusammenfassung

Digitale Kippschaltungen (Flipflops) speichern eine kurzzeitig angelegte digitale Information. Sie sind Bestandteil von sogenannten sequentiellen Schaltungen (Schaltwerken), deren Ausgangszustand von ihrer Vorgeschichte abhängt. Meistens werden die Aktionen von Flipflops, nämlich Speichern und Übrtragen digitaler Information, durch Taktimpulse (Clockimpulse, Triggerimpulse) ausgelöst. Verschiedene Flipfloptypen unterscheiden sich in ihrer Wahrheitstabelle und in ihrem Triggerverhalten.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

13. Weitere digitale Schaltungen

Zusammenfassung

Der Ausgangszustand kombinatorischer Schaltungen (Schaltnetze) ist im Gegensatz zu sequentiellen Schaltungen (Schaltwerken) eindeutig durch den Zustand der Eingangsvariablen bestimmt. Schaltnetze enthalten also keine Speicher (Flipflops).

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

14. Digitale Rechenschaltungen

Zusammenfassung

In digitalen Rechenschaltungen werden zur Durchführung der Grundrechenarten (Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division) Addierer benutzt, die in Abschnitt 14.1 beschrieben werden.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

15. Signalumsetzer

Zusammenfassung

Die Elektronik befaßt sich mit der Darstellung von Informationen durch elektromagnetische Signale. Der ‘Charakter’ dieser Signale kann analog sein (z.B. Srom, Spannung oder Ladung), digital, zeitspezifisch oder frequenzbezogen. Schaltungen, die den Charakter eines Signals verändern, bezeichnen wir - in Anlehnung an DIN 40900, Teil 13 - als ‘Umsetzer’ (z.B. Digital-Analog-Umsetzer, Abschnitt 3.6, oder Spannung-Frequenz-Umsetzer, Abschnitt 10.3.2).

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

16. Kernphysikalische Meßanordnungen

Zusammenfassung

Die Entwicklung der Impulstechnik ist eng mit der der nulearen Meßtechnik verbunden. Bei ihr werden genormte Überrahmen verwendet, in denen genormte Betriebsspannungen (±24 V, ±12 V und ±6 V) erzeugt werden. In die Überrahmen werden von der Frontseite elektronische Einschübe oder Moduln eingesteckt, die an der Rückseite über Steckerleisten die Normspannungen zur Verfügung gestellt bekommen und an der Frontseite Koaxialbuchsen für 50-Ω-kabel enthalten, die als Signalein- und -ausgänge dienen.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

17. Der Vielkanalanalysator und seine Anwendungen

Zusammenfassung

Der Vielkanalanalysator wird verwendet, um Analogsignale zu digitalisieren, Ergebnisse additiv zu speichern, diese optisch darzustellen und für eine spätere Auswertung auf ein Speichermedium (z.B. Magnetband) zu übertragen. Der Signalhöhenmittler (Abschnitt 17.3) unterscheidet sich vom Vielkanalanalysator im engeren Sinne (VKA, Abschnitt 17.1) durch geringere Kanalzahl, dafür aber größere Speicherkapazität pro Kanal.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

18. Messung kleiner Signale

Zusammenfassung

Die Messung kleiner Signale in Naturwissenschaft, Technik und Medizin führt oft an die Grenzen der Meßtechnik. Hierzu einige Beispiele:

• Kleine Spannungen: Thermoelektrische und Hall-Spannungen in der Festkörperphysik, EEG und EKG in der Medizin, NMR-Signale in der Kernphysik,
• kleine Ströme: von Ionen, Atomen und Molekülen in der Atom-, Kern- und Festkörperphysik, Sperrströme von Dioden, bei der Messung von Streuung und Absorption von Licht,
• kleine Ladungen: beim Teichennachweis in der Kernphysik,
• kleie Leitwerte: Leitfähigkeit von intrinsischen Halbleitern, Leckraten von Kondensatoren und
• kleine Kapazitäten.

Christian Weddigen, Wolfgang Jüngst

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