Elektronik

Inhaltsverzeichnis

1. Grundbegriffe der Systemtheorie.- 1.1 LTI-Systeme.- 1.2 Deltafunktion, Impulsantwort, Faltung.- 1.3 Sprungfunktion, Sprungantwort.- 1.4 Fouriertransformation, Übertragungsfunktion.- 1.5 Laplacetransformation.- 1.6 Beispiele.- 1.6.1 RC-Tiefpaß.- 1.6.2 CR-Hochpaß.- 1.6.3 LC-Tiefpaß.- 1.6.4 Kompensierter Spannungsteiler.- 2. Vierpole.- 2.1 Grundbegriffe der Vierpoltheorie.- 2.1.1 Matrixdarstellung.- 2.1.2 Übertragungseigenschaften.- 2.2 Leitungen.- 2.2.1 Unendlich lange Leitungen.- 2.2.2 Leitungen endlicher Länge.- 2.2.3 Impulse auf Leitungen.- 3. Halbleiterbauelemente.- 3.1 Der reine und dotierte Halbleiter.- 3.2 Der pn-Übergang.- 3.3 Dioden.- 3.3.1 pn-Dioden.- 3.3.2 Dioden als Gleichrichter.- 3.3.3 Spezielle Dioden.- 3.4 Bipolare Transistoren.- 3.4.1 Emitter-Schaltung.- 3.4.2 Kollektor-Schaltung.- 3.4.3 Basis-Schaltung.- 3.4.4 Grenzwerte des Transistors.- 3.4.5 Transistor als Schalter.- 3.5 Feldeffekttransistoren.- 3.5.1 Sperrschicht-FET.- 3.5.2 MOSFET.- 3.5.3 Leistungs-MOSFETs.- 3.6 Spezielle Leistungshalbleiter.- 3.6.1 Thyristoren.- 3.6.2 Triac.- 4. Schaltungen mit Transistoren.- 4.1 Verstärker mit bipolaren Transistoren.- 4.1.1 Arbeitspunkteinstellung.- 4.1.2 Schaltungsverbesserung durch Gegenkopplung.- 4.1.3 Differenzverstärker.- 4.2 Verstärker mit Feldeffekttransistoren.- 4.2.1 Arbeitspunkteinstellung.- 4.3 Leistungsverstärker.- 4.4 Konstantstromquellen.- 5. Operationsverstärker.- 5.1 Eigenschaften des Operationsverstärkers.- 5.2 Einfache Verstärkerschaltungen.- 5.2.1 Nichtinvertierender Verstärker.- 5.2.2 Invertierender Verstärker.- 5.2.3 Stabilität von Verstärkerschaltungen.- 5.2.4 Sprungantwort bei geringer Phasenreserve.- 5.2.5 Frequenzgangkorrektur.- 5.2.6 Betrieb bei kapazitiver Belastung.- 5.3 Anwendungen des Operationsverstärkers.- 5.3.1 Komparator.- 5.3.2 Spannungsfolger.- 5.3.3 Addierer.- 5.3.4 Differenzverstärker, Instrumentenverstärker.- 5.3.5 Gesteuerte Spannungs- und Stromquellen.- 5.3.6 Gyrator.- 5.3.7 Integrator.- 5.3.8 Spitzenwertdetektor.- 5.3.9 Vollweggleichrichter.- 5.4 Aktive Filter.- 5.4.1 Prinzipieller Entwurf von Filterschaltungen.- 5.4.2 Tiefpaß-Hochpaß-Transformation.- 5.4.3 Realisierung von aktiven Filtern.- 6. Regelung.- 6.1 Lineare Regler.- 6.1.1 Statisches Verhalten.- 6.1.2 Dynamisches Verhalten.- 6.1.3 Stabilität eines Regelkreises.- 6.1.4 Lineare Übertragungsglieder.- 6.1.5 Regelstrecken und Regler.- 6.1.6 P-Regler.- 6.1.7 PI-Regler.- 6.1.8 PD-Regler.- 6.1.9 PID-Regler.- 6.2 Nichtlineare Regelstrecken.- 6.3 Nichtstetige Regelung.- 6.4 Beispiel einer Regelung: Niveauregelung.- 7. Netzgeräte.- 7.1 Längsregler.- 7.2 Schaltregler.- 7.2.1 Durchflußwandler.- 7.2.2 Sperrwandler.- 7.2.3 Beispiel für einen Primärregler.- 8. Analoge Signalübertragung.- 8.1 Modulation.- 8.1.1 Amplitudenmodulation (AM).- 8.1.2 Frequenz- und Phasenmodulation.- 8.1.3 Einfluß von Störungen bei AM, PhM und FM.- 8.2 Mischung.- 9. Rauschen.- 9.1 Rauschquellen.- 9.1.1 Rauschen im thermischen Gleichgewicht.- 9.1.2 Rauschen im thermischen Nichtgleichgewicht.- 9.2 Kenngrößen rauschender Systeme.- 9.2.1 Rauschtemperatur, äquivalenter Rauschwiderstand.- 9.2.2 Rauschzahl, noise figure.- 9.2.3 Rauschersatzschaltung eines Systems.- 9.3 Rauschen von aktiven Bauteilen.- 9.3.1 Rauschen des bipolaren Transistors.- 9.3.2 Rauschen des Feldeffekttransistors.- 9.3.3 Rauschen des Operationsverstärkers.- 9.4 Korrelation.- 9.5 Methoden zur Rauschbefreiung.- 9.5.1 Korrelationsverfahren.- 9.5.2 Lock-in-Verfahren.- 9.5.3 Boxcar-Integrator.- 10. Optoelektronik.- 10.1 Strahlungsdetektoren.- 10.1.1 Fotovervielfacher.- 10.2 Halbleiterfotodetektoren.- 10.2.1 Fotoleiter.- 10.2.2 Fotodiode.- 10.2.3 Fototransistor.- 10.2.4 Rauschverhalten von Fotodetektoren.- 10.3 Bildaufnahmeeinheiten.- 10.3.1 Das XY-Konzept (MOS-XY-Sensor).- 10.3.2 Das Interline-Konzept (IL-Sensor).- 10.3.3 Das Frame-Transfer-Konzept (FT-Sensor).- 10.4 Solarzellen.- 10.5 Halbleiterstrahlungsquellen.- 10.5.1 Lumineszenzdioden (LED = Light Emitting Diode).- 10.5.2 Optokoppler.- 10.5.3 Halbleiterlaser (Laserdioden).- 10.6 Flüssigkristallanzeigen.- 10.7 Lichtleiter, Glasfaser.- 10.7.1 Eigenschaften und charakteristische Daten.- 11. Digitale Schaltungen.- 11.1 Die logischen Grundfunktionen.- 11.1.1 Die Rechenregeln der Schaltalgebra.- 11.1.2 Wahrheitstafel ? logische ? Gleichung Schaltbild.- 11.1.3 Abgeleitete Grundfunktionen.- 11.2 Technische Realisierung der Grundfunktionen.- 11.2.1 Wichtige Gattereigenschaften.- 11.2.2 Verbesserung der Standard-TTL-Technologie.- 11.2.3 Emittergekoppelte Logik (ECL).- 11.2.4 Komplementäre MOS-Logik (CMOS).- 11.2.5 Spezielle Ausgangsschaltungen.- 11.3 Beispiele für logische Schaltungen.- 11.3.1 Addition von Dualzahlen.- 11.3.2 Komparator.- 11.3.3 Paritätsbitgenerator.- 11.4 Digitale Schaltwerke.- 11.4.1 Flip-Flops.- 11.4.2 Binärzähler.- 11.4.3 Schieberegister.- 11.4.4 Einige Beispiele.- 11.5 Digitale Speicher.- 11.5.1 Schreib-Lese-Speicher.- 11.5.2 Festwertspeicher.- 11.5.3 Serielle Speicher.- 11.5.4 Programmierbare Logikbausteine.- 11.5.5 Der Halbleitermarkt.- 12. Digitale Signalübertragung.- 12.1 Abtastung, Abtasttheorem.- 12.1.1 Quantisierungsrauschen.- 12.2 Pulsmodulation (PM).- 12.3 Abtast-Halte-Schaltungen.- 12.4 Analog-Digital-Wandler (ADC).- 12.4.1 Parallelverfahren = Flash-ADC.- 12.4.2 Wägeverfahren = sukzessive Annäherung.- 12.4.3 Zählverfahren.- 12.5 Digital-Analog-Wandler (DAC).- 12.5.1 Kenngrößen bei AD- und DA-Wandlern.- 12.5.2 Delta-Sigma-Wandler.- 13. Mikroprozessoren.- 13.1 Prinzip des CISC-Mikroprozessors.- 13.2 Der Mikroprozessor 68000.- 13.2.1 Registersatz.- 13.2.2 Befehlssatz.- 13.2.3 Adressierungsarten.- 13.2.4 Direkte Adressierung.- 13.2.5 Indirekte Adressierung.- 13.2.6 Unterprogramme, der Stack.- 13.2.7 Programmbeispiele.- 13.2.8 Hardware des 68000.- 13.3 Ein/Ausgabe-Bausteine.- 13.3.1 Parallele Schnittstelle.- 13.3.2 Serielle Schnittstelle.- 13.4 Die 680X0-Familie.- 13.4.1 68010.- 13.4.2 68020.- 13.4.3 68030, 68040, 68060.- 13.5 Die Intel-Mikroprozessoren 80X86.- 13.5.1 8086.- 13.5.2 80386.- 13.5.3 80486 und Pentium (80586).- 13.6 Prinzip des RISC-Prozessors.- 13.6.1 Der PowerPC.- 14. Anhang.- 14.1 Der Operationsverstärker 741.- Weiterführende Literatur.

Vorwort

Die Elektronik ist in der modernen Experimentier- und Meßtechnik zu einem unentbehrlichen Werkzeug geworden. Für den richtigen und sinnvollen Einsatz der elektronischen Hilfsmittel ist eine wichtige Voraussetzung erforderlich: eine gute Kenntnis zumindest der grundlegenden Prinzipien der eingesetzten Geräte. Ohne diese Kenntnisse besteht für den Benutzer der Geräte die Gefahr, daß er die Ergebnisse, die von einer elektronischen Apparatur geliefert werden, falsch interpretiert. In sehr vielen Fällen stehen Meßgeräte als black box zur Verfügung, die im Detail sehr komplex aufgebaut sein können und daher ganz besonders die Gefahr beinhalten, daß ihre einwandfreie Funktion bei Nichtkenntnis der Eigenschaften und des Aufbaus nicht korrekt beurteilt werden kann. Dieses Problem wird durch den immer stärker werdenden Einsatz der Mikroprozessortechnik noch vergrößert, da neben der steigenden Komplexität der so entstehenden Systeme die Einsatzmöglichkeiten immer vielfältiger und von der Bedienung anspruchsvoller werden. Die eigenen Kenntnisse des Anwenders ermöglichen es, in vielen Fällen z.B. etwaiges Fehlverhalten der Geräte zu erkennen. Da in der experimentellen Praxis immer wieder die Forderung nach neuen elektronischen Verfahren auftritt, für die keine Geräte oder Systeme käuflich zu erwerben sind, ist der Anwender gezwungen, sich selbst um die Entwicklung entsprechender Elektronik zu bemühen. Diese Aufgabe verlangt, daß der Anwender einem Elektroniker verdeutlichen kann, welche Elektronik er benötigt. Dazu muß er die Sprache des Elektronikers sprechen können, d.h. er muß ausreichende elektronische Kenntnisse besitzen. Schließlich befindet man sich gar nicht so selten in der Situation, selbst Elektronik aufbauen zu müssen. Hierzu sind natürlich schon Detailkenntnisse notwendig, für die das vorliegende Buch als Grundlage dienen kann. Letztendlich kann die Elektronik auch für einen Naturwissenschaftler zu einem interessanten und faszinierenden Gebiet werden. Das Buch umfaßt den Inhalt meiner vierstündigen Elektronik-Vorlesung vorallem für Physikstudenten an der Universität Heidelberg, die den angehenden Physikern entsprechend den oben genannten Argumenten nützliche Kenntnisse in der Elektronik vermittelt....