Elektronik-Aufgaben Analoge Schaltungen

198 Pages·1997·6.46 MB·German

by  Bodo Morgenstern (auth.)

Bodo Morgenstern
Elektronik-Aufgaben
Analoge Schaltungen
Aus dem Program. ...... _________
Grundstudium
Mathematik filr Ingenieure und Naturwissenschaftler
von L. Papula, 3 Bande
Mathematik filr Ingenieure und Naturwissenschaftler
Ubungen
von L. Papula
Mathematische Formelsammlung
filr Ingenieure und Naturwissenschaftler
von L. Papula
Experimentalphysik filr Ingenieure
von H.-I Schulz, I Eichler, M. Rosenzweig, D. Sprengel
und H. Wetzel
Lehr-und Ubungsbuch der Technischen Mechanik
von H. H. Gloistehn, 3 Bande
Elektrotechnik filr Ingenieure
von W. WeiSgerber, 3 Bande
Elemente der angewandten Elektronik
von E. Bohmer
Elektronik
von B. Morgenstern, 3 Bande
Simulieren mit PSpice
von D. Ehrhardt und I Schulte
Design Center - PSpice unter Windows
von R. Ludtke und S. Stratmann
Arbeitshilfen und Formeln filr das technische Studium
Band 4: Elektrotechnik, Elektronik, Digitaltechnik
von W. Boge
Elektrische Me8technik
von K. Bergmann
Vieweg _____________________
~
Bodo Morgenstern
Elektronik-Aufgaben
Analoge Schaltungen
I I
Vlewag
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1997
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Gedruckt auf siiurefreiem Papier
ISBN-13: 978-3-528-07428-9 e-ISBN-13: 978-3-322-89568-4
DOl: 10.1007/978-3-322-89568-4
Vorwort
Sie haben den zweiten Band aus einer Reihe von insgesamt drei Ubungs
biichern in Handen mit Beispielen aus dem Bereich Analoge Schaltun
gen, die im Verlauf von iiber zwanzig Jahren in Form von Ubungs- und
Klausuraufgaben begleitend zu meinen Vorlesungen Elektronik I (Bau
elemente), Elektronik II (Analoge Schaltungen) und Elektronik III (Di
gitale Schaltungen und Systeme) entstanden sind. Der Vorlesungsstoff
wird in dem im gleichen Verlag erschienenen Lehrbiichern
'Bodo Morgenstern: Elektronik 1, Bauelemente' [1],
'Bodo Morgenstern: Elektronik 2, Analoge Schaltungen' [2],
'Bodo Morgenstern: Elektronik 3, Digitale Schaltungen und
Systeme' [3] behandelt.
Die drei Aufgabenbande sind unabhangig voneinander, beziehen sich
aber jeweils eng auf die Lehrbiicher. Die Auswahl der Aufgaben des
vorliegenden Bandes erfolgte in neun Themengruppen:
o Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung,
o Kleinsignalverstarker,
o Klirrfaktor, Rauschen,
o Differenzverstarker, Operationsverstarker (OP),
o Aktive Filter,
o Oszillatoren und Kippschaltungen,
o Spannungsstabilisatoren und
o Transistor als Schalter.
Die Fiille der vorhandenen Beispiele ist groB und der Umfang dieses Bu
ches bescheiden. Ich konnte deswegen nur wenige Aufgaben auswahlen,
habe aber deren Losungsweg ausfiihrlich dokumentiert, so daB er leicht
nachvollzogen werden kann.
Diese Methode erschien mir hilfreicher als das Auflisten vieler Aufga
ben, von deren Losungen lediglich das Endergebnis angegeben ist. Es
geht fUr den Studierenden letzlich nicht darum, in Ubungen oder Klau
suren einen moglichst groBen Vorrat von Aufgaben parat zu haben in
der trugerischen Hoffnung, die gerade zu losende befindet sich so oder
ahnlich unter ihnen. Wichtig ist vielmehr das Training methodischer
Fertigkeiten, die man breit gefachert anwenden kann.
Man mag die kritische Frage stellen, ob die hier praktizierten Losungsver
fahren im Zeitalter des rechnergestutzten Schaltungsentwurfes (Beispiel
PSPICE) uberhaupt noch aktuell sind. Dem ist entgegenzuhalten, daB
der Ingenieur die modernen Werkzeuge nur sinnvoll einzusetzen vermag,
wenn er die elementaren Berechnungsmethoden - auf denen die Rech
nerprogramme letztlich basieren - sicher beherrscht und er sich somit
ein Urteil uber die Qualitat erzielter Simulationsergebnisse machen kann.
Das Quellenverzeichnis ist wegen des engen Bezuges zu [I] und [2] na
turgemaB sehr kurz, und auf einen Index habe ich ganzlich verzichtet.
Der erste Band dieser Reihe befaBt sich mit Aufgaben zu Elektronischen
Bauelementen und Einfachen Passiven Schaltungen. Er steht in engem
Bezug zu [I] und erganzt die vorliegende Sammlung. Der dritte Ubungs
band (Autoren Dr. Manfred Rubel und Dr. Ulrich Schaarschmidt) deckt
den Bereich Digitale Elektronik ab, zu dem das Lehrbuch [3] gehort.
Der Aufgabenfundus ist - wie erwahnt - stetig gewachsen, und es
ist mir ein Bedurfnis, allen Mitarbeitern, die dazu beigetragen haben,
zu danken. Besonders mochte ich die Herren Dr. Peter Schacht und
Dr. Sigo SeMmel erwahnen. Mein Dank gilt auch den Herren Dr. M.
Rubel und Dr. Jan Wilk, die die Muhe auf sich nahmen, eventuelle Un
stimmigkeiten aufzuspuren und moglichst viele der kleinen tuckischen
Druckfehler zu finden. Dem Vieweg Verlag danke ich fur die angenehme
Zusammenarbeit.
Hamburg, im April 1997
Bodo Morgenstern
Inhaltsverzeichnis
I Aufgaben
1 Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung 1
1.1 Thermische Arbeitspunktstabilisierung fur Bipolartransi-
storen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1
1.2 Kompensationsschaltung mittels Diode. . . . . . . . . .. 2
1.3 Thermische Stabilitat eines Bipolartransistor-Verstarkers 3
2 Kleinsignalverstarker 6
2.1 Tunneldiode als Schalter und als Kleinsignalverstarker 6
2.2 Ruckgekoppelter zweistufiger Bipolartransistorverstarker. 8
2.3 Breitbandverstarker .......... 9
2.4 Kaskodeschaltung............ 10
2.5 FET- Kleinsignal-Transistorverstarker 11
3 Klirrfaktor, Rauschen 13
3.1 Klirrfaktor eines FET-Verstarkers 13
3.2 Rauschender Bipolar-Transistorverstarker 14
3.3 Rauschzahl einer Verstarkerkaskade . 14
4 Differenzverstarker 15
4.1 Differenzverstarker mit Bipolar-Transistoren 15
4.2 Differenzverstarker mit Feldeffekt-Transistoren 16
5 OperatioDSverstarker (OP) 19
5.1 Innenschaltung eines Operationsverstarkers 19
5.2 Rechenverstarker 1 mit OPs . 20
5.3 Rechenverstarker 2 mit OP . 21
5.4 Mehrzweckschaltung mit OPs 22
VII
VIII INHALTSVERZEICHNIS
6 Aktive Filter 23
6.1 Aktives Filter 1 mit OP 23
6.2 Aktives Filter 2 mit OP 24
7 Oszillatoren und Kippschaltungen 25
7.1 Mei6ner-Oszillator... 25
7.2 Multivibrator...... 26
7.3 Schmitt-Trigger mit OP 27
8 Spannungsstabilisatoren 29
8.1 Z-Dioden-Parallelstabilisierung............... 29
8.2 Spannungsstabilisierung mit Langstransistor und Regel-
verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
8.3 Spannungsstabilisierung mit Operationsverstarker . 31
9 Transistor als Schalter 33
9.1 Feldeffekttransistor als Schalter 33
9.2 Bipolartransistor als Schalter . 35
II Losungen 37
1 Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung 38
1.1 Thermische Arbeitspunktstabilisierung fur Bipolartransi-
storen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38
1.2 Kompensationsschaltung mittels Diode . . . . . . . . .. 48
1.3 Thermische Stabilitat eines Bipolartransistorverstarkers 49
2 Kleinsignalverstarker 66
2.1 Tunneldiode als Schalter und als Kleinsignalverstarker 66
2.2 Ruclcgekoppelter zweistufiger Bipolartransistorverstarker 71
2.3 Breitbandverstarker .......... 77
2.4 Kaskode-Schaltung........... 83
2.5 FET-Kleinsignal-Transistorverstarker 89
3 Klirrfaktor, Rauschen 95
3.1 Klirrfaktor eines FET- Verstarkers 95
3.2 Rauschender Bipolar-Transistorverstarker 100
3.3 Rauschzahl einer Verstarkerkaskade. . . . 103
INHALTSVERZEICHNIS IX
4 Differenzverstarker 106
4.1 Differenzverstarker mit Bipolar-Transistoren 106
4.2 Differenzverstarker mit Feldeffekt-Transistoren . 121
5 Operationsverstarker (OP) 126
5.1 Innenschaltung eines Operationsverstarkers 126
5.2 Rechenverstarker 1 mit OPs . 133
5.3 Rechenverstarker 2 mit OP . 135
5.4 Mehrzweckschaltung mit OPs 138
6 Aktive Filter 142
6.1 Aktives Filter 1 mit OP 142
6.2 Aktives Filter 2 mit OP . 146
7 Oszillatoren und Kippschaltungen 148
7.1 MeiBner-Oszillator... 148
7.2 Multivibrator...... 153
7.3 Schmitt-Trigger mit OP 157
8 Spannungsstabilisatoren 160
8.1 Z-Dioden-Parallelstabilisierung.............. 160
8.2 Spannungsstabilisierung mit Langstransistor und Regel-
verstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.3 Spannungsstabilisierung mit Operationsverstarker . 174
9 Transistor als Schalter 178
9.1 Feldeffekttransistor als Schalter 178
9.2 Bipolartransistor als Schalter . . 183
Teil I
Aufgaben