Elektronik-Praktikum-Eingangstest Lernzettel

Elektronik-Praktikum-Eingangstest Lernzettel
22. Oktober 2004
Ich möchte jeden, der von dieser Liste profitiert, bitten, zu ihrer Vollständigkeit
beizutragen. Wenn Dir also auffällt, dass noch etwas fehlt, was Du kannst/lernen
willst, schicke bitte eine eMail an [email protected]
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Analogelektronik
• Hoch/Tiefpass: Einfach als Spannungsteiler mit komplexem Widerstand
betrachten (z.B. ist der Widerstand einer Spule bei hohen Frequenzen
hoch, da Z = iwL)
• Induktivität Wellenleiter ∝ ln(r1 /r2 )
• Kapazität Wellenleiter ∝
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ln(r1 /r2 )
• Halbleiter:
– Leitende Elektronen im Leitungsband, Löcher im Valenzband.
– Materialien: Germanium, Silizium
– Ladungsträgerkonz. hängt stark von Temp. ab, bei hoher Temp.
bessere Leitung
– Majoritätsladungsträger: Elektronen bei n-Dotierung, Löcher bei
p-Dotierung (Minoritätstr. umgekehrt)
• Dioden:
– pn-Übergang, leitend bei + an p
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– Zenerdioden: Betrieb bei Durchbruchspannung, zur Spannungsstabilisierung.
Funktionsweise beruht auf Zenereffekt und Lawineneffekt. Zenereffekt:
Lösung von gebundenen Elektronen durch hohe Feldstärke (2,75V). Lawineneffekt: Elektronen schlagen immer mehr Elektronen
aus (> 5V )
– Schottky-Diode: Vorteil: schneller Schalter, kleine Flußspannung,
hohe Ströme möglich. Nachteil: kleine Sperrspannung, < 125◦ C
– Tunneldiode (Esaki-D.): keine Sperrspannung, kleine Spannungen
wie Widerstand, Spannung etwas höher: Strom fällt ab. Spannung
noch höher: Strom steigt wieder an.
• Gleichrichter (Einweg, Zweiweg, Spannungsverdoppler) Nachteil Einweg:
Nur eine Halbwelle. Nachteil Zweiweg: zwei Dioden = 2*0,7V Spannungsverlust
• Transistor
– Bipolar: Leitend ab Spannung 0,7V an Basis (Pluspol bei npn,
Minuspol bei pnp), CE-Strom hängt nur von BE-Strom ab (ICE =
B ∗ IBE , B Verstärkung)
– Unipolar (Basis → Gate, Collector → Drain, Emitter → Source)
∗ JFET: Steuerung des DS Stroms durch Gatespannung. Größter
Strom bei 0V, je mehr Spannung, desto weniger DS-Strom. NKanal: negative Gatespannung. P-Kanal: positive Gatespannung
(DS Spannung jeweils umgekehrt)
∗ MOSFET
· Anreicherungstyp, N-Kanal: Sperrung bei 0V Gatespannung,
Leitend bei positiver Gatespannung
· Verarmungstyp, N-Kanal: Leitend bei 0V, Sperrung durch
Gatespannung negativer als Sourcespannung
· P-Kanal: jeweils umgedreht
· (welcher Idiot lernt sowas auswendig? Ich sollte BWL studieren)
– Schaltungen
∗ Emitterschaltung: Verstärkung von Strom und Spannung, Invertierung
von Wechselspannung (um Wechselspannung zu verstärken,
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kann man die Collectorspannung auf die Basis legen → nur
positive Spannung), niedriger Eingangswiderstand
∗ Kollektorschaltung: Stromverstärkung, Spannung bleibt ungefähr
gleich. Impedanzwandler von niedrig auf hoch
∗ Basisischaltung: Spannungsverstärkung, Strom bleibt ungefähr
gleich. Impedanzwandler von hoch auf niedrig
Bei allen Schaltungen: Gegenkopplung über Emitterwiderstand
verringert Temp.effekte
– Differenzverstärker: Verstärkt Diff. der Eingangsspannungen, Gleichspannungen
können genau verstärkt werden.
• Operationsverstärker: Verstärken Differenz zw. Eingängen. +Eingang:
nicht invertierender Eingang, -Eingang: invertierender Eingang. Im Einsatz
wird der Verstärker rückgekoppelt (der Ausgang wird wieder an den
Eingang gelegt). Dadurch wird die Spannungsdiff. zw. den Eingängen
auf Null geregelt.
Schaltungen: invertierender Verstärker (Verstärkung R1 /R2 , nicht invertierender
Verstärker (Verstärkung: R1 /R2 + 1), Schmitt-Trigger (Sinusspannung
→ Rechteckspannung), Integrator (Kondensator über Rückkopplungswiderstand,
Integriert die Eingangspannung auf), Summierer (addiert Spannungen),
Subtrahierer, Spannungsfolger (ermöglicht hohe Stromentnahme)
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Digitalelektronik
• Rauschen:
– Widerstandsrauschen: Verursacht durch thermische Bewegung der
Elektronen, P = 4K ∗ T ∗ B (K: Boltzmannk., T: Temp., B:
Bandbreite)
– Schrotrauschen: Proportional zum Quadrat der Stromstärke und
der Bandbreite (etwas unsicher)
– weißes Rauschen: konstante Leistungsdichte
– farbiges Rauschen: Gegenteil weißes Rauschen
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• Kippstufen
– monostabile Kippstufe: Impulse, die langsam ansteigen und abrupt
abfallen, äußeres Signal setzt einen Zustand, nach bestimmter Zeit
fällt die Schaltung zurück
– astabile Kippstufe (Multivibrator): Kippt zwischen zwei Zuständen
hin und her, ohne das äußeres Signal anliegt
– bistabile Kippstufe: FlipFlop
• Boolesche Algebra
– Wahrheitstabellen: Konjunktion (und, *), Disjunktion (oder, +),
NAND, NOR, EXOR, EXNOR
– Rechenregeln: Kommutativ, Assoziativ, Distributiv (jeweils für +
und *, Distr. bei +: x1 + x2 x3 = (x1 + x2 )(x1 + x3 ))
De-Morgan: x1 x2 = x1 + x2 , x1 + x2 = x1 x2
– Schaltsymbole nach DIN 40900
– KV-Diagramme:
Disjunktive Normalform: Alle Einsen im Diagramm mit OR verknüpfen
ergibt die ges. Funktion.
Vereinfachungsregeln: benachbarte Einsen können zusammengefasst
werden, da dann immer mind. eine Variable negiert und nicht
negiert mit OR Verknüpft auftaucht.
• Zahlensysteme:
– Dual: negative Zahlen durch letztes Bit (most significant bit, links)
codiert. (1: negativ)
Zweierkomplementdarstellung: Bei negativen Zahlen invertieren
und eins addieren
• Halbaddierer: Addiert zwei Zustände, aber kann keinen Übertrag aufnehmen
Aufbau aus XOR (für die Rechnung) und AND (für den Übertrag)
• Volladdierer: Addiert zwei Zustände und kann dabei Übertrag aufnehmen.
• Logische Bauelemente
– DTL: Logikelemente aus Dioden und Transistoren. Schlecht, da
zu hohe Energieaufnahme.
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– TTL: Logikelemente nur aus Transistoren. Besser als DTL.
– ECL: extrem schnelle Schaltzeit, aber auch extrem hohe Leistungsaufnahme
– CMOS: extrem niedrige Leistungsaufnahme, abhängig von Umschalthäufigkeit,
festlegbare Betriebsspannung von 3-15V, alle Eingänge müssen
beschaltet werden.
– SMD: Werden direkt auf die Platine gelötet, ohne Löcher.
• Flip-Flops
– RS-FlipFlop: Zwei Eingänge (R,S), Zwei Ausgänge (Q1 , Q2 ).
S=1, R=0: Setzen (Q1 = 1, Q2 = 0)
S=0, R=1: Rücksetzen (Q1 = 0, Q2 = 1)
S=0, R=1: Speichern S0=1, R=1: Undef. Zustand, zufälliges Ergebnis
– D-FlipFlop: R-Eingang mit S-Eingang per Negation verbunden →
kein undef. Zustand mehr
Taktgesteuert: Takt 1: Setzen/Rücksetzen (1 am Eingang: Setzen),
Takt 0: Speichern
– JK-FlipFlop: Wie RS-FlipFlop, aber Taktgesteuert (bei Takt 0:
immer Speichern), bei R=1,S=1: Wechseln des Zustands (Toggeln)
– Master-Slave-FlipFlop: Taktgesteuertes FlipFlop: Bei Takt 1 wird
gespeichert und erst bei Takt 2 wieder ausgegeben (komplementäre
Verriegelung). Aufbau: zwei Verbundene JK-FlipFlops, deren Takteingang
durch Negierung verbunden ist.
• AD-Wandler
– Parallelverfahren: Vergleich mit Referenzspannungen → 2n Komparatoren,
ein Schritt (n: Anzahl der aufzulösenden Bit), schnell
– Wägeverfahren (sukzessive Approximation): Fallunterscheidung ob
größer oder kleiner als Referenzspannung, setzen der ersten Stelle,
wiederum Vergleich, etc. → n Referenzspannungen, n Schritte,
mittelschnell
– Zählverfahren: Abzählung, wie oft man Referenzspannung addieren
muss, um Meßspannung er erhalten. → 2n Schritte, eine Referenzspannung,
langsam