Elektronik: Band II: Schaltungen für Elektrotechniker ab 1. Semester

316 Pages·1989·18.07 MB·German

by  Bodo Morgenstern (auth.)

Morgenstern
Elektronik
Band II: Schaltungen
.----_ Literatur fur das ___________- -..
Grundstudium
Mathematik fur Ingenieure
von L. Papula, 2 Bande
Ubungsbuch zur Mathematik fur Ingenieure
von L. Papula
Mathematische Formelsammlung
von L. Papula
Grundlagen der Elektrotechnik
von W. Ameling, 2 Bande
Elektrotechnik fUr Ingenieure
von W. WeiBgerber, 3 Bande
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Bohmer
Elektronik
von B. Morgenstern, 3 Bande
Elektrische MeBtechnik
von K. Bergmann
Werkstoffkunde fUr die Elektrotechnik
von P. Guillery, R. Hezel und B. Reppich
Lehr- und Ubungsbuch der Technischen
Mathematik
von H. H. Gloistehn, 3 Bande
'----Vieweg ----------------
Bodo Morgenstern
Elektronik
Band II: Schaltungen
fOr Elektrotechniker ab 1. Semester
6., verbesserte Auflage
Mit 275 Bildern
I I
vleweg
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Morgenstern, Bodo:
Elektronik: fOr Elektroniker ab 1. Sem. I Bodo
Morgenstern. - Braunschweig; Wiesbaden:
Vieweg
(Uni-Text)
Teilw. mit Erscheinungsort Braunschweig
Bd. 2. Schaltungen. - 6., verbesserte Aufl. - 1989
ISBN-13: 978-3-528-53334-2
1. Auflage 1978
2., durchgesehene Auflage 1980
3., Oberarbeitete und erweiterte Auflage 1983
4., durchgesehene Auflage 1985
5., durchgesehene Auflage 1987
6., verbesserte Auflage 1989
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, BraunschweiglWiesbaden, 1989
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ISBN-13: 978-3-528-53334-2 e-ISBN-13: 978-3-322-83236-8
001: 10.1007/978-3-322-83236-8
Inhaltsverzeichnis
II Schaltungen der Elektronik
1 Passive Schaltungen mit R, C und L ....................... .
1.1 Obertragungsverhalten von RC-Gliedern ..................... .
1.1.1 Der RC-Hochpa~ ............................... 2
1.1.1.1 Obergangsfunktion....................... 2
1.1.1.2 Reaktion des Hochpasses auf periodische Rechteck-
impulse .............................. 3
1.1.1.3 Reaktion des Hochpasses auf periodische Impuls-
gruppen .............................. 8
1.1.1.4 Die untere Grenzfrequenz des RC-Hochpasses ..... 13
1.1.2 Der RC-Tiefpa~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
1.1.2.1 Obergangsfunktion....................... 13
1.1.2.2 Reaktion des Tiefpasses auf periodische Rechteck-
impulse .............................. 14
1.1.2.3 Reaktion des Tiefpasses auf periodische Im puls-
gruppen .............................. 17
1.1.2.4 Die obere Grenzfrequenz des RC-Tiefpasses ...... 21
1.2 Obertragungsverhalten von R L-Gliedern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
1.3 Wien-Brucke ........................................ 22
1.4 Wien-Robinson-Brucke ................................. 23
1.5 Doppel-T-Filter ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24
1.6 Der RC-Phasenschieber (AlipaB) ........................... 26
2 Verstarker ............................................ 27
2.1 Einleitung ......................................... 27
2.2 Klassifizierung der Verstarkertypen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
3 Transistor-Verstarkergrundschaltungen fUr Niederfrequenz ....... 30
3.1 Aligemeines ........................................ 30
3.2 Die Emitterschaltung .................................. 30
3.2.1 Prinzip...................................... 30
3.2.2 Ersatzschaltbild und Gleichungen .................... 31
3.2.3 Eigenschaften ................................. 35
3.3 Die Emitterschaltung mit Wechselstromgegenkopplung ............ 36
3.3.1 Prinzip...................................... 36
3.3.2 Ersatzschaltbild und Gleichungen .................... 37
3.3.3 Eigenschaften ................................. 40
3.4 Die Emitterschaltung" mit Wechselspannungsgegenkopplung ......... 41
3.4.1 Prinzip...................................... 41
3.4.2 Gleichungen .................................. 41
3.4.3 Eigenschaften ................................. 42
VI
3.5 Die Kollektorschaltung (der Emitterfolger) .................... 42
3.5.1 Prinzip...................................... 42
3.5.2 Ersatzschaltbild und Gleichungen .......... :......... 43
3.5.3 Eigenschaften ................................. 45
3.6 Die Basisschaltung .................................... 46
3.6.1 Prinzip...................................... 46
3.6.2 Ersatzschaltung und Gleichungen .................... 46
3.6.3 Eigenschaften ................................. 47
3.7 Erhohung des Eingangswiderstandes durch Bootstrap-Schaltung ...... 48
3.8 Frequenzverhalten der 3 Grundschaltungen ................... 49
3.8.1 Verhalten bei tiefen Frequenzen, untere Grenzfrequenz ..... 49
3.8.1.1 Emitterschaltung ........................ -49
3.8.1.2 Kollektorschaltung....................... 55
3.8.1.3 Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
3.8.2 Verhalten bei hohen Frequenzen, obere Grenzfrequenz . . . . .. 56
3.9 Klirrfaktor, nichtlineare Verzerrungen ....................... 61
3.10 Zusammenfassender Vergleich der 3 Transistorgrundschaltungen bei
Niederfrequenz ...................................... 64
3. 11 Transistor-BetriebsgroBen, ausgedriickt durch h-Parameter .......... 64
4 Gleichspannungsverstarker ............................... 67
4.1 Eintaktverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67
4.2 Darlington-Schaltung .................................. 69
4.3 Differenzverstiirker ................................... 73
4.3.1 Prinzipschaltung .............................. . 73
4.3.2 Ersatzschaltung und Gleichungen ................... . 75
4.3.3 Differenzverstarkung ........................... . 77
4.3.4 Gleichtaktverstarkung ........................... . 81
4.3.5 Gleichtaktunterdruckung ......................... . 84
4.3.6 Differentieller Eingangswiderstand .................. . 85
4.3.7 Ausgangswiderstand ............................ . 86
4.3.8 Offset-Spannung und Offset-Strom .................. . 86
4.3.8.1 Offset-Spannung ....................... . 87
4.3.8.2 Offset-Strom .......................... . 88
4.3.9 Eingangsruhestrom ............................. . 88
4.3.10 Realisierung von Konstantstromquellen ................ 88
4.3.11 Schaltungsvarianten und Dimensionierungsregeln beim
Differenzverstarker ............................ . 90
4.4 Gleichspannungsverstiirker mit MeBzerhacker (Chopperverstiirker) 91
4.4.1 Chopperverstarker mit mechanischem Zerhacker ......... . 91
4.4.2 Chopperverstarker mit Varicap-Dioden 93
4.4.3 Chopperstabilisierter Spannungsverstarker .............. 94
4.4.4 Weitere Zerhackerschaltungen ...................... 95
VII
5 Operationsverstarker .................................... 96
5.1 KenngroBen des idealen Operationsverstiirkers . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97
5.1.1 Leerlaufverstiirkung Vo ........................... 97
5.1.2 Eingangskenngri:i~en ............................ . 97
5.1.3 Ausgangskenngri:i~en ........................... . 98
5.1.4 Gleichtaktkenngri:i~en ........................ , .. 98
5.1.5 Offset-Kenngri:i~en ............................. . 98
5.1.6 Ersatzschaltbild ............................... . 99
5.2 KenngroBen des realen Operationsverstiirkers .................. 99
5.2.1 Leerlaufverstiirkung ............................. 99
5.2.2 Eingangskenngri:i~en............................. 99
5.2.3 Ausgangskenngri:i~en ............................ 100
5.2.4 Gleichtaktkenngri:i~en ........................... 100
5.2.5 Offset-Kenngri:i~en.............................. 101
5.2.6 Rauschen .................................... 101
5.2.7 Frequenzgri:i~en, Bode-Diagramm, Nyquist-Diagramm ...... 101
5.2.8 Ersatzschaltbild................................ 104
5.3 Anwendung des Operationsverstiirkers ....................... 104
5.3.1 I nvertierender Verstiirker (Inverter) . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105
5.3.1.1 Einflu~ der endlichen Leerlaufverstiirkung Vo ..... 107
5.3.1.2 Einflu~ der endlichen Eingangsimpedanz Ze ...... 108
5.3.1.3 Einflu~ der Ausgangsimpedanz Za =1= 0 .......... 109
5.3.1.4 Zusammenfassung aller 3 Einfllisse ............ 110
5.3.1.5 Eingangs- und Ausgangsimpedanz ............. 110
5.3.2 Nichtinvertierender Verstiirker ...................... 112
5.3.3 Addierer .................................... 114
5.3.4 Subtrahierer .................................. 114
5.3.5 Logarithmierer und Delogarithmierer (Potenzierer) ........ 115
5.3.6 I mpedanzwandler .............................. 117
5.3.6.1 Der Inverter als Impedanzwandler ............. 117
5.3.6.2 Impedanzwandler mit Nichtinverter (Einverst.) .... 118
5.3.7 Negativ-Impedanzwandler (NIC) .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 118
5.3.7.1 Leerlaufstabiler N IC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 119
5.3.7.2 Kurzschlu~stabiler N IC . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 120
5.3.8 Differenzierschaltung (Differentiator) ................. 120
5.3.9 I ntegrierschaltung (I ntegrator) ...................... 123
5.3.10 PI-Verstiirker ................................. 125
5.3.11 PI D-Verstiirker ................................ 126
5.3.12 Konstantstromquelle ............................ 127
5.3.13 Konstantspannungsquelle ......................... 128
5.3.14 Aktive Filterschaltungen mit RC-Gliedern .............. 128
5.3.14.1 Einleitung ............................ 128
5.3.14.2 Der aktive Tiefpa~ mit einfacher Gegenkopplung . " 130
5.3.14.3 Der aktive Tiefpa~ mit einfacher Mitkopplung ... " 132
5.3.14.4 Der aktive Hochpa~ mit einfacher Gegenkopplung .. 133
5.3.14.5 Der aktive Hochpa~ mit einfacher Mitkopplung .... 133
VIII
5.3.14.6 Filterschaltungen mit mehrfacher Ruckkopplung 134
5.3.14.7 Aktive BandpaB·Schaltungen ................ 134
5.3.15 Der Gyrator .................................. 135
5.3.15.1 Allgemeines ........................... 135
5.3.15.2 Anwendung des Gyrators in der Filtertechnik ..... 137
6 Ruckkopplung von Transistorverstarkern .................... 138
6.1 Eigenschaften der Riickkopplung .......................... 138
6.2 Arten der Riickkopplung und deren EinfluB auf die KenngroBen des
Verstiirkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 142
6.2.1 Spannungs·Serien·Gegenkopplung.................... 144
6.2.2 Strom-Serien-Gegenkopplung....................... 146
6.2.3 Spannungs-Parallel-Gegenkopplung ................... 149
6.2.4 Strom-Parallel-Gegenkopplung ...................... 150
6.3 Vergleich der 4 Grundschaltungen miteinander ................. 151
7 Spannungs- und Stromstabilisierung mit Halbleitern ............ 152
7.1 Aligemeines ........................................ 152
7.2 Spannungsstabilisierung, analog arbeitende Grundschaltungen ....... 152
7.2.1 Kenngr6Ben der Stabilisierung ...................... 153
7.2.1.1 Regelfaktor, Stabilisierungsfaktor ............. 153
7.2.1.2 I nnenwiderstand ........................ 153
7.2.2 Spannungsstabil isierung mit Z-Dioden und Transistoren 154
7.2.2.1 Z-Dioden-Parallelstabil isierung ............... 154
7.2.2.2 Stabilisierung mit Uingstransistor ............. 156
7.2.2.3 Stabilisierung mit Uingstransistor und Regel-
verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 157
7.2.2.4 Stabilisierung mit Zweierkaskade im Langszweig
und Regelverstarker ...................... 161
7.2.2.5 Stabilisierung mit Langstransistor und Regel-
verstarker mit vorstabilisierter Hilfsspannung 161
7.2.2.6 Schaltung mit dynamischen AuBenwiderstand im
Regelverstarker ......................... 163
7.2.2.7 Stabilisierung mit Zweierkaskade im Langszweig
und Regelverstarker bei zusatzlicher Kompensation
vonaundra ........................... 163
7.3 Strombegrenzung bei Spannungsstabilisatoren .... . . . . . . . . . . . . .. 166
7.3.1 Einfache Strombegrenzung ........................ 167
7.3.2 Strombegrenzung mit negativem Innenwiderstand ......... 168
7.4 Oberblick tiber weitere Spannungsregler-Schaltungen ............. 169
7.5 Stromstabilisierung, Konstantstromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
7.5.1 Stromregelschaltung mit Langstransistor und Z-Diode . . . . . .. 171
7.5.2 Stromregler mit Langstransistor und Regelverstarker ....... 171
7.5.3 Stromregler mit Zweierkaskade und Regelverstarker .. . . . . .. 172
IX
7.6 Schaltnetzteile ...................................... 173
7.6.1 Allgemeines .................................. 173
7.6.2 Prinzip...................................... 174
7.6.3 Sperrwandler ................................. 175
7.6.4 DurchfluBwandler .............................. 177
7.6.5 Gegentaktwandler .............................. 179
8 Transistor-leistungsverstarker ............................. 180
8.1 Aligemeines ......................................... 180
8.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 180
8.3 Betriebsarten und Wirkungsgrad ........................... 182
8.3.1 A-, B- und C-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 182
8.3.2 Wirkungsgrad ................................. 183
8.4 Leistungsverstarker-Schaltungen ........................... 188
8.4.1 leistungsverstarker ohne Transformatorkopplung ......... 188
8.4.1.1 Einfacher Emitterfolger als Eintaktverstarker ..... 188
8.4.1.2 Einfacher komplementarer Gegentakt-B-Verstarker 189
8.4.1.3 Einfacher Komplementar-Gegentakt-AB-Verstarker . 191
8.4.1.4 MaBnahmen zur weiteren Verbesserung der Grund-
schaltungen 192
8.4.1.5 Dimensionierungsbeispiel fur einen 30 W-leistungs
verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 193
8.4.1.6 Quasikomplementar-Endstufe ............... 200
8.4.2 leistungsverstarker mit Transformatorkopplung .......... 200
9 Der Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 202
9.1 Idealer und realer Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 202
9.2 Transistorschalter bei Ohmscher Last. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 203
9.2.1 Statisches Verhalten ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 203
9.2.2 Dynamisches Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 205
9.2.2.1 Definition der Schaltzeiten ................. 205
9.2.2.2 Verbesserung des dynamischen Verhaltens ....... 207
9.3 Transistorschalter bei induktiver Last ....................... 208
9.4 Transistorschalter bei kapazitiver Last ....................... 209
9.5 Transistorschalter in logischen Verknupfungsgliedern ............. 211
9.5.1 Aligemeines, positive und negative logik ............... 211
9.5.2 logische Verknupfungen AND, OR, NOT, NAND, NOR ..... 212
9.5.3 Bipolar-Grundschaltungen als Basis verschiedener logikfamilien
(RTl, DTl, TTL, ECl, 12L) ....................... 213
10 Kippschaltungen mit Transistoren .......................... 220
10.1 Aligemeines,Obersicht .................................. 220
10.2 Bistabile Kippschaltung, Flipflop .......................... 222
10.2.1 Grundschaltung................................ 222
10.2.2 Arten von Flipflops ............................. 223
10.2.2.1 RS-Flipflop ohne Taktsteuerung . . . . . . . . . . . . .. 224
x
10.2.2.2 Taktzustandsgesteuertes RS-FI ipflop (Auffang-
flipflop, Latch) ......................... 226
10.2.2.3 D-Flipflop ............................ 227
10.2.2.4 Zweispeicherflipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 228
10.2.2.4.1 Prinzip des Zweispeicherfl ipflops ..... 228
10.2.2.4.2 Arten der Taktflankensteuerung ...... 229
10.2.2.4.3 JK-Flipflop .................... 229
10.2.2.4.4 T-Flipflop (Toggle-oderTriggerflipflop) 231
10.3 Monostabile Kippschaltung, Monoflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 231
10.3.1 Grundschaltung................................ 231
10.3.2 Monoflop mit statischem Eingang .................... 233
10.3.3 Monoflop mit dynamischem Eingang . . . . . . . . . . . . . . . . .. 234
10.3.4 Monoflop mit logischen Grundfunktionen .............. 235
10.4 Astabile Kippschaltung, Multivibrator ....................... 235
10.4.1 Grundschaltung................................ 235
10.4.2 Verbesserung der dynamischen Eigenschaften ............ 236
10.5 Schmitt-Trigger ...................................... 237
10.5.1 Prinzip und Grundschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 237
10.5.2 Dimensionierung des Schmitt-Triggers ................. 240
11 Sinus-Oszillatoren ...................................... 240
11.1 Aligemeines ........................................ 240
11.2 Osziliatortypen ...................................... 241
11.2.1 Wien-Brucken-Oszillator .......................... 241
11.2.2 RC-Phasenschieberoszillator........................ 242
11.2.3 LC-Oszillatoren mit abgestimmten Schwingkreisen . . . . . . . .. 244
11.2.3.1 Hartley-Oszillator (induktive Dreipunktschaltung) .. 244
11.2.3.2 Colpitts-Oszillator (kapazitive Dreipunktschaltung) 245
11.2.3.3 Dimensionierung von LC-Oszillatoren .......... 246
11.2.3.3.1 Hartley-Oszillator ............... 248
11.2.3.3.2 Colpitts-Oszillator ............... 249
11.2.4 Ouarzoszillatoren............................... 250
11.2.4.1 Allgemeines, Eigenschaften von Schwingquarzen ... 250
11.2.4.2 Ersatzschaltbild des Schwingquarzes ........... 251
11.2.4.3 "Ziehen" der Resonanzfrequenz .... . . . . . . . . .. 251
11.2.4.4 Schaltungsbeispiele fur Ouarzoszillatoren ........ 252
12 Feldeffekt-Transistor-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 253
12.1 Grundschaltungen .................................... 253
12.1.1 Source-Schaltung............................... 253
12.1.2 Drainschaltung (Sourcefolger) ...................... 254
12.1.3 Gateschaltung ................................. 255
12.1.4 Vergleich der Eigenschaften der 3 Grundschaltungen ....... 256
12.2 Wahl und Einstellung des Arbeitspunktes ..................... 257
12.2.1 Allgemeines .................................. 257
12.2.2 PN-FET ..................................... 258