Elektronik für Physiker: Eine Einführung in analoge Grundschaltungen PDF
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Teubner Studienbiicher Physik Becher/Bohm/Joos: Elchlheorlen der alarken und elektro.chwachen WechHlwlrkung 2. Aull. OM 39,80 Berry: Ko.mologle und GravltaUon. OM 26,80 Bopp: Keme, Hadronen und Elementartellchen. OM 34,- Bourne/Kendall: Veletoranaly.I •• 2. Autl. OM 28,80 Carlsson/Pipes: Hochlelatungafaaerverbundwerkatoffe. OM 28,80 Constantinescu: DI.tribuUonen und Ihre Anwendung In der Phyalk. OM 23,80 Daniel: Be.chleunlger. OM 28,80 Engelke: Aufbau der MolekOle. OM 38,- Fischer/Kaul: Mathematik fOr Phy.lker Band 1: Grundkurs. 2. Aufl. OM 48,- GoetzbergerlWittwer: Sonnenenergle. 2. Autl. OM 29,80 Gross/Runge: Vleltellchenlheorfe. OM 39,80 GroBer: ElnfOhrung In die TellchenopUk. OM 26,80 GroBmann: Mathematl.cher ElnfOhrung.kura fOr die Phyalk. 5. Auf!. OM 36, GrotzlKlapdor: Ole achwache WechHJwlrkung In Kem-, Tellchen-und Aatrophy.lk. OM 46,- Hell/Kitzka: Grundkura T1IeoreU.che Machanlk. OM 39, Helnloth: Energle. OM 42,- Kamke/Kramer: Phy.lkall.che Grundlagen der MaBelnhelten. OM 26,80 Kleinknecht: Detektoren fOr Tellchen.trahlung. 2. Aufl. OM 29,80 Kneubiihl: RepeUtorlum dar Phy.lk. 4. Aufl. OM 48,- Kneubiihl/Slgrlst: La.er. 2. Aufl. OM 42,- Kopltzkl: ElnfOhrung In die Fe.tkarperphy.lk. 2. Autl. OM 44, Kroger/Unbehauen: Technl.che Elektrodynamlk. OM 42, Kunze: Phy.lkallache MeBmelhoden. OM 28,80 Lautz: Elektromagnetl.che Felder. 3. Autl. OM 32,- Lindner: Drehlmpulae In der Quantenmechanlk. OM 28,80 Lohrmann: ElnfOhrung In die Elementartellchenphyalk. 2. Aufl. OM 26,80 Lohrmann: Hochenerglephy.lk. 3. Autl. OM 34,- Mayer-Kuckuk: Atomphyalk. 3. Autl. OM 34,- Mayer·Kuckuk: Kemphy.lk. 4. Aull. OM 39,80 Mommsen: Ard\lometrle. OM 38,- Neuert: Atomare StoBproze. .e . OM 28,80 Nolting: Quantenlheorle de. Magnetl.mu. Tell 1 : Grundlagen. OM 38,- Teil 2: Modelie. OM 38,- Raeder u. a.: Kontrolllerte Kemfu.lon. OM 42,- Fortsetzung auf der 3. Umschlagseite Elektronik fur Physiker Eine EinfOhrung in analoge Grundschaltungen Von Dipl.-Phys. Karl-Heinz Rohe, Haan 3" durchgesehene Auflage Mit 199 Figuren Ii B. G. Teubner Stuttgart 1987 Dipl.-Phys. Karl-Heinz Rohe Geboren 1938 in Arnsberg (Westfalen). Studium der Physik in Gottingen, SaarbrUcken und MUnster. 1964 Diplom, anschlieBend Entwicklungsingenieur bei Fa. Siemens in Karlsruhe. Seit 1967 wiss. Angestellter in der Abteilung fUr Physik und Astronomie an der Universitat Bochum. Ab 1986 Entwicklungstatigkeit in der Industrie. CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Rohe, Karl-Heinz Elektronik fUr Physiker : e. Einf. in analoge Grundschaltungen / von Karl-Heinz Rohe. - 3., durchges. Aufl. - Stuttgart: Teubner, 1987. (Teubner StudienbUcher : Physik) ISBN-13: 978-3-519-23044-1 e-ISBN-13: 978-3-322-89117-4 DOI: 10.1007/978-3-322-89117-4 Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschUtzt. Jede Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechts gesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages un zulassig und strafbar. Das gilt besonders fUr Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikrover filmungen und die Einspeicherung und Verarbei tung in elektronischen Systemen. © B. G. Teubner Stuttgart 1978 Gesamtherstellung: Druckhaus Beltz, Hemsbach/BergstraBe Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen 3 v 0 r w 0 r t Das vorliegende Buch entstand aus einer EinfUhrungsvorlesung in die Elektronik, die ich seit 1975 an der Ruhr-Universitat Bochum fUr Physik-Studenten (ab 3. Semester) halten konnte. Eine solche Vorlesung entsprang dem Wunsch, moglichst frUh den kommenden Expe rimentalphysiker mit einer der wichtigsten Arbeitsmethoden vertraut zu machen. Es war die Absicht, in Abgrenzung zu anderen Gebieten der Elektronik, die Analog-Elektronik darzustellen, die ja in der Regel am Beginn einer elektrischen MeBdatengewinnung mit ausrei chender analoger Verstarkung steht, bis auch digitale Methoden zur Anwendung kommen konnen. Entsprechend dem Ausbildungsstand der Zu horer wurden die wichtigsten Grundgesetze der Elektronik mit Anwen dungsbeispielen, sowie die bedeutendsten elektronischen Bauelemente und ihre Grundschaltungen behandelt. Dabei wurde die Erklarung von Schaltungen und Funktionsweisen moglichst "physikalisch" gehalten. Das Ziel des Buches ist es, in die Begriffswelt der Elektronik ein zufUhren, um das Verstandnis fUr Funktionen und Anwendungsmoglich keiten zu fordern und dem Leser die Moglichkeit zu geben, Schal tungen fUr seine Zwecke selbst zu entwerfen. Das Buch verdankt seine Entstehung einer Anregung von Prof. Dr. D. Kamke. Ihm gebUhrt mein Dank fUr seine bestandige Forderung und UnterstUtzung, sowie fUr viele Vorschlage, die auch den Inhalt und die Darstellung betrafen. Zu danken habe ich ferner Frau D. Runzer fUr die saubere Herstellung der Zeichnungen, Frau D. Hake fUr die Photoarbeiten und endlich besonders Frau E. Wieselmann fUr die unermUdliche und sorgfaltige AusfUhrung der Schreibarbeiten. Bochum, im Herbst 1978 K.-H. Rohe Vorwort zur dritten Auflage FUr seine Mitarbeit bei der Uberarbeitunq der zweiten Auf lage mochte ich Herrn Prof. Dr. D. Kamke meinen herzlichen Dank aussprechen. Haan, im Herbst 1986 K. H. Rohe 5 Inhaltsverzeichnis Seite Passive Bauelemente 9 1.1 Lineare Bauelemente 9 1.1.1 Widerstand, Grundgesetze und Grundschaltungen 9 1.1.1.1 Elektrische Leitfahigkeit fester Stoffe 9 1.1.1.2 0 h m sches Gesetz 11 1.1.1.3 Technische Ausflihrung von Widerstanden 14 1.1.1.4 Temperaturabhangige Widerstande 17 1.1.1.5 Grundschaltungen und Grundgesetze 18 1.1.2 Kondensatoren 24 1.1.2.1 Widerstand des Kondensators 24 1.1.2.2 Komplexe Schreibweise 26 1.1.2.3 Technische Ausflihrungen von Kondensatoren 28 1.1.3 TiefpaB und HochpaB 33 1.1.3.1 TiefpaB 33 1.1.3.2 Ubertragung von Spannungspulsen durch den TiefpaB 38 1.1.3.3 HochpaB 42 1.1.3.4 Ubertragung von Spannungspulsen durch den HochpaB 43 1.1.4 Induktivitaten 47 1.1.4.1 Strom, Spannung, Widerstand 47 1.1.4.2 Transformator 50 1.1.4.3 Pulstransformator 52 1.1.5 Vierpolgleichungen 56 1.1.6 Fourier-Reihen und Laplace-Transformation 64 1.1.7 Fourier-Integrale 69 1.1.8 Laplace-Transformation 73 1.2 Nichtlineare passive Bauelemente 78 1.2.1 Leitungsmechanismus in Halbleitern 78 1.2.2 Halbleiterdioden mit PN-Ubergang 81 1.2.3 Technische Anwendungen 89 1.2.3.1 Einweg-Gleichrichter 89 1.2.3.2 Doppelweg-Gleichrichter 95 1.2.3.3 Spannungsvervielfacher 97 1.2.4 Spezialdioden 99 1.2.4.1 Zenerdioden (Z-Dioden) 99 1.2.4.2 Schottky-Dioden 102 6 Seite 1.2.4.3 Tunneldiode 104 1.2.4.4 Backward-Dioden 107 1.2.4.5 Kapazitatsdioden 108 1.2.4.6 Speichervaraktoren 110 1.2.4.7 PIN-Dioden 111 1.2.4.8 VDR-Widerstande 111 1.1.4.9 Gunneffekt-Diode 112 2 Aktive Bauelemente 114 2.1 Der bipolare Transistor 114 2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise 114 2.1.2 Eingangsstromkreis (Emitterschaltung) 118 2.1.3 Ausgangsstromkreis (Emitterschaltung) 121 2.1.4 Grenzwerte 128 2.2 Transistor-Grundschaltungen 131 2.2.1 Emitter-Schaltung 131 2.2.1.1 Arbeitspunkt 131 2.2.1.2 Spannungsverstarkung 133 2.2.1.3 Nichtlinearitat 135 2.2.2 Spannungsgegenkopplung 136 2.2.3 Stromgegenkopplung 143 2.2.4 Kollektor-Schaltung 147 2.2.5 Emitterfolger als Spannungsquelle 149 2.2.6 Basisschaltung 153 2.2.7 Transistor-Rauschen 154 2.2.8 Unipolare Transistoren 156 2.2.8.1 Sperrschicht-FET 156 2.2.8.2 Selbstleitende MOS-FET 158 2.2.8.3 Selbstsperrende MOS-FET 159 2.2.9 Kennlinien und Parameter der FET 160 2.2.10 Verstarker-Schaltungen mit FET 163 3 Schaltungen mit Operationsverstarkern (OPV) 166 3.1 Prinzip des Differenzverstarkers 166 3.1.1 Aufbau eines OPV 167 3.1.2 Verstarkung 168 3.1.3 Gleichtaktverstarkung und -UnterdrUckung 170 3.1.4 Gleichtakt-Eingangswiderstand 172 3.2 Mehrstufiger Operationsverstarker 172 7 Seite 3.3 Gegenkopplung 175 3.4 Bandbreite und Kompensation 181 3.4.1 Bandbreite 182 3.4.2 Phasendrehung 184 3.4.3 Kompensation 187 3.4.4 Eingangs- und Ausgangswiderstand 188 4 Anwendungen 193 4.1 Spannungsfolger 193 4.2 Spitzenspannungsdetektor 195 4.3 Stretcher (Dehner) 195 4.4 Sample-Hold-Schaltung 196 4.5 Invertierende Verstarker 197 4.6 Summierer 200 4.7 Differenzverstarker 201 4.8 MeBverstarker 202 4.9 Differenzverstarker als elektronischer Schalter und Inverter 203 4.10 Strom-Spannungswandler (I/U-Wandler) 205 4.11 Gleichrichter-Schaltungen 206 4.12 Differentiator 209 4.13 Integrator 210 4.14 Anwendung eines Integrators 212 4.15 Komparator, Diskriminator 216 4.16 Mittelwertbildung 220 5 Regier und Rechenschaltungen 223 5.1 Regier 223 5.2 Frequenzgang, Proportional-Regier 225 5.3 Proportional-Integral-Regler 228 5.4 Proportional-Integral-Differential-Regler 230 5.5 Rechenschaltungen 233 5.5.1 Potenzierer 234 5.5.2 Multiplizierer 235 5.5.2.1 Regelbare Verstarker 237 5.5.2.2 Lineares Gate 237 5.5.2.3 Multiplikative Mischung 237 5.5.2.4 Quadrierer 241 8 Seite 5.5.3 Dividierer 241 5.5.4 Radizierer 242 Sachregister 244 9 Passive Bauelemente 1.1 Lineare Bauelemente 1.1.1 Widerstand, Grundgesetze und Grundschaltungen 1.1.1.1 Elektrische Leitfahigkeit fester Stoffe Die elektrische Leitfahigkeit eines Stoffes hangt von der An zahl seiner freien Ladungstrager und deren Beweglichkeit abo In Festk5rpern kommen als freie Ladungstrager nur Elektronen in Betracht, weil die Atome entweder in einer regelmaBigen Raum gitterstruktur an feste "Gitterpunkte" gebunden sind (kristalline Struktur) oder in einer ungeordneten, amorphen Struktur im Fest korper eingefroren sind. Entscheidend fUr die Anzahl freier Elek tronen in einem Festk5rper ist die GroBe der Bindungsenergie, mit der die auBersten Elektronen der Festk5rperatome - die sogenann ten Valenzelektronen - an ihre Atome gebunden sind. In einem Einzelatom bewegen sich die Elektronen (mit der La dung -e) im Coulombfeld des Atomkerns (mit der Ladung +Ze). Die Kraft F, mit der ein Elektron, das sich im Abstand r vom Kern be findet, an das Atom gebunden ist, nimmt quadratisch mit dem Kern abstand ab, Wie die elementare Quantentheorie zeigt, k5nnen Elektronen den Kern nur auf Bahnen mit bestimmten, diskreten Kernabstanden rn umlaufen. Ebenso kann die Energie W der Elektronen, die sich aus ihrer potentiellen Energie im Coulombfeld Wpot(rn) und ihrer kine tischen Energie Wkin(rn) zusammensetzt, nur ganz bestimmte diskre te Werte annehmen. Die bei einem Einzelatom m5glichen Elektronen energien stellt man in einem Energieschema dar, wobei die Energie niveaus durch horizontale Linien veranschaulicht werden (Fig. 1a). 10 w In einem Festkorper bewegen sich die Valenzelektronen nicht mehr in einem ungestorten Cou lombfeld, sondern in komplizier ten elektrischen Feldern, die sich durch Uberlagerung der elektrischen Felder aller Git 10 teratome ergeben. Dies fUhrt zu einer Aufspaltung de~ Energie Fig. 1a: Energiezustande in niveaus des Einzelatoms in so einem isolierten Atom viele dicht zusammenliegende Fig. 1b: Energiebander im Festkorper Einzelniveaus wie Atome im Fest- korper vorhanden sind. Wegen ihrer ungeheuren Zahl faBt man ununterscheidbar dichtliegende Einzelniveaus zu Energiebandern zu- sammen (Fig. 1b). Der Energiebereich der Valenzelektronen wird Valenzband ge nannt. FUhrt man dies en auBersten Elektronen Energie zu (z.B. thermische Anregung), so kann man sie aus ihrer Bindung an das Atom losen. Dadurch entstandene "freie Elektronen" bewegen sich ebenfalls im komplizierten elektrischen Feld des Festkorpers. Eben so wie die gebundenen Elektronen konnen auch die freien Elektronen innerhalb des Festkorpers nur Energien eines bestimmten Energiebe reichs annehmen. Die Gesamtheit aller Energien, die freie Elektro nen annehmen konnen, faBt man im Leitungsband zusammen. Valenz band und Leitungsband sind im allgemeinen durch eine verbotene Zo ne endlicher Breite ~WB voneinander getrennt (Fig. 2). Energien im Bereich der verbotenen Zone konnen Elektronen im Festkorper nicht annehmen. Leitungsbond Die Breite der verbotenen verbotene Zone Zone ist entscheidend dafUr, ob Volenzbond sich der Festkorper wie ein Leiter, Halbleiter oder Isolator verhalt: Zur Bildung freier Elektronen muB den Valenzelek Fig. 2: Energiebander und tronen ein Energiebetrag verbotene Zone im Festkorper
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