Prüfungsfragen zur Elektronik: Bachelor Ausbildung

222 Pages·2013·9.67 MB·German

by  Peter Baumann (auth.)

Peter Baumann
Prüfungsfragen
zur Elektronik
Bachelor Ausbildung
Prüfungsfragen zur Elektronik
Peter Baumann
Prüfungsfragen zur
Elektronik
Bachelor Ausbildung
Mit 203 Abbildungen und 9 Tabellen
Prof.Dr.-Ing.PeterBaumann
HochschuleBremen
Bremen,Deutschland
ISBN978-3-658-02912-8 ISBN978-3-658-02913-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-02913-5
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cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen.
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Vorwort
ImRahmender BachelorausbildungumfasstdasModulElektronik u.a.dieGrundlagen
zuWirkungsweiseundAnwendungvonHalbleiterbauelementen undSchaltkreisen.
InderAbschlussverpflichtungfürdiesesLehrfachsindKenntnisseundFähigkeitenzur
ErmittlungvonHalbleiterkenngrößenundzurDimensionierungvonSchaltungenmitDi-
oden,bipolarenundunipolarenTransistorensowieOperationsverstärkernnachzuweisen.
Die„PrüfungsfragenzurElektronik“beziehensichaufdieobengenanntenGebieteund
schließenauchdieModellierungvonHalbleiterbauelementensowiedieSchaltungssimula-
tionanalogerunddigitalerBaugruppenmitdemNetzwerkanalyseprogrammPSPICEein.
EswerdendarüberhinausSchaltungenausdenLaborversuchenzurElektronikangegeben,
umdieRollevonHalbleiterbauelementeneinzuschätzenundvorauszusagen,wiebestimm-
teAusgangsparameterderSchaltungvonGleichstromkenngrößen,derZeit,derFrequenz
oderderTemperaturabhängen.
DienachfolgendeAbhandlungmitFragestellungenundAntwortenistdazugedacht,die
Vorbereitung aufdieElektronik-Prüfungzuunterstützen. Sie kanndarüber hinausauch
Anregungen für eine Vertiefung des Selbststudiums zu den einzelnen Kapiteln während
deslaufendenSemestersgeben.
DieFragenwerdenzunächstverbalbeantwortet. MitGleichungen,prinzipiellenDar-
stellungenundPSPICE-AnalysenwerdendieseErklärungenanschließendvertieft.Diein
diesemBuchangegebenenGleichungenzudenModellparameternderDiodenundTran-
sistoren aus dem Programm PSPICE von OrCAD/CADENCE beruhen auf den grund-
legenden Arbeiten von L.W. Nagel und D.O. Pederson, University of California, Report
ERL-382,1973.
DieangeboteneProbeklausurnebstBewertungmitvorgegebenenPunkten beinhaltet
typischePrüfungsfragenundAufgabensowiedieAntwortenundLösungen.
HerrnDipl.-Ing.JohannesAertzdankeichherzlichfürdieUmsetzungderDokument-
vorlagedesVerlagesfürdasManuskript.
V
VI Vorwort
Mein Dank gilt auch Herrn Cheflektor Elektrotechnik, Dipl.-Ing. Reinhard Dapper,
Frau AndreaBroßler und Frau Walburga Himmel vomSpringer Vieweg Verlagfür ihre
Unterstützung.FernerdankeichauchHerrnPatrickWaltematevonderle-texpublishing
servicesGmbHinLeipzigfürdieAnpassungdesManuskriptsandenVerlagsstandard.
BremenimSeptember2013 PeterBaumann
Inhaltsverzeichnis
1 Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Dotierungundpn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Schaltdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Gleichrichterdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4 Z-Diode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5 Kapazitätsdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.6 Schottky-Diode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.7 Fotodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2 Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.1 PrinzipielleWirkungsweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.2 Phasenanschnittsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3 Bipolartransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Kleinsignalverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3 Darlington-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.4 Konstantstromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.6 Oszillatorschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.7 Schaltstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4 Optokoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2 Impulsübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3 NF-Signalübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.4 Gabelkoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
5 Sperrschicht-Feldeffekttransistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.3 Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.4 Kleinsignalverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.5 Chopper-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.6 Analogschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6 MOS-Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.2 Kleinsignalverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3 Konstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4 Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.5 Blinkschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.6 CMOS-Inverter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.7 CMOS-Übertragungsgatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.8 CMOS-Multiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.1 AufbauundSPICE-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.2 Grundschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.3 Komparator-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
7.4 Strom-Spannungs-Umformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
7.5 Spannungs-Strom-Umformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.6 Abtast-Halte-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
7.7 AstabilerMultivibrator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
7.8 Schmitt-Trigger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.9 RC-Phasenschieber-Oszillator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.10 Addierverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.11 Integrator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.12 Logarithmierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8 PrüfungsklausurElektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Dioden 1
1.1 Dotierungundpn-Übergang
Frage1.1
InwelchemVerhältnisstehtdieElektronendichtenzurLöcherdichtepbeieigenleitendem
Halbleitermaterial?
Antwort
BeimAufbrecheneinerDoppelbindungzwischenbenachbartenAtomeninreinemSilizi-
umentstehenebensovielequasifreieElektronenwieLöcher.EsgiltdasMassenwirkungs-
gesetzfürdieEigenleitunggemäßGl.1.1.Dabeiistn diematerial-undtemperaturabhän-
i
gigeEigenleitungsdichte(Intrinsicdichte).
p =n =n (1.1)
  i
DerIndex0stehtfürthermodynamischesGleichgewicht.
Frage1.2
InwelcherGrößenordnungliegendieStörstellenkonzentrationenderHalbleitergebietebei
derpin-Diodebzw.beimintegriertennpn-Transistor?
P.Baumann,PrüfungsfragenzurElektronik,DOI10.1007/978-3-658-02913-5_1, 1
©SpringerFachmedienWiesbaden2013
2 1 Dioden
Tab.1.1 TypischemittlereDotierungenderpin-Diodeunddesintegriertennpn-Transistors
Datenderpin-Diodenach[2] Datendesintegriertennpn-Transistorsnach[3]
Konzentration Halbleitergebiet Konzentration Halbleitergebiet
NA=1⋅1017cm−3 Anode NE=1019cm−3 Emitter
ND=1⋅1013cm−3 i-Schicht NB=2⋅1017cm−3 Basis
ND=1⋅1017cm−3 Substrat NC=2⋅1015cm−3 n-Epitaxie
– – N =5⋅1018cm−3 begrabenesGebiet
G
– – N =1⋅1016cm−3 p-Substrat
S
Abb.1.1 Struktureinerpin-
Planardiode
Antwort
BeiderSilizium-pin-DiodewirddiemittlereIntrinsicschichtidurcheinschwachdotiertes
n-Gebietangenähert.ImGegensatzdazuwerdendiep-undn-Schichtenhochdotiert.Eine
SkizzezumAufbauderpin-DiodezeigtAbb.1.1.TypischemittlereDotierungswerte der
pin-DiodezeigtdieTab.1.1.
Frage1.3
WelchetechnologischenParameterbestimmendieEindringtiefenbeiderDiffusion?
Antwort
BeiderZweistufendiffusion[1]werdendieEindringtiefenübereineVorbelegungundan-
schließende Tiefendiffusion mit der Diffusionszeit und der Temperatur (beispielsweise
1 Stunde und 1000°C) eingestellt. Um für den npn-Transistor einen hohen Emitter-
Wirkungsgrad zu erzielen, muss die Oberflächenkonzentration des Emitters bedeutend
höheralsdiederBasissein.Dieschwachdotierten-EpitaxieschichtsichertinVerbindung