Ch. Weddigen, W. Jiingst

Elektronik Eine Einfiihrnng fUr N aturwissenschaftler und Ingenieure mit Beispielen zur Computer-Simulation

Zweite, neu bearbeitete und erweiterte Auflage

Mit 274 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona Budapest

Prof. Dr. rer. nat. Christian Weddigen

Kernforschungszentrum Karlsruhe Institut fUr Kernphysik Weberstr. 5, 0-76133 Karlsruhe

Akadem. Dir. Dr. rer. nat. Wolfgang lungst

Institut filr Experimentelle Kernphysik UniversiUit Karlsruhe Kaiserstr. 12,0-76128 Karlsruhe

ISBN-13:978-3-540-56693-9 e-ISBN-13:978-3-642-84959-6 DOl: 10.1 007/978-3-642-84959-6

Die Deutsche Biblioiliek - CIP Einheitsaufnahme Weddigen, Christian: Elektronik: eine EinfUhrung fUr Naturwissenschaftler und Ingenieure mit Beispielen zur Computer-Simulation I Ch. Weddigen; W. Jilngst. - 2., neu bearb. und erw. Auf!. - Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer, 1993 ISBN-13:978-3-540-56693-9 NE: Jilngst, Wolfgang

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@ Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986 and 1993

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6013020 5 4 3 2 1 0 Gedruckt auf siiurefreiem Papier

Vorwort

Zur zweiten Auflage

GegenUber der vergriffenen ersten Auflage wurde der Text aktualisiert und stellen­weise gestrafft oder korrigiert. Neue Abschnitte, wie z.B. Uber Verzogerungslei­tungen ('lumped' und 'distributed delay lines'), und zahlreiche Obungsaufgaben kamen hinzu. Insbesondere wurden Simulationsaufgaben aufgenommen, fUr deren Er­probung die Demoversion des weit verbreiteten Analyseprogramms PSPICE benutzt wurde. Diese kann unter anderem mit PCs ('personal computer') betrieben werden, ist leicht erhaltlich und darf kopiert werden. Mit ihr kann der Leser auch die meisten Experimentiervorschlage durch Simulation bearbeiten.

Bei der Vorbereitung der zweiten Auflage wurden wir dankenswerter Weise wie­derum von dem Kernforschungszentrum Karlsruhe und von der Universitat Karlsruhe unterstUtzt. Dem Springer-Verlag danken wir fUr die angenehme Zusammenarbeit.

Karlsruhe, Herbst 1993

Zur ersten Auflage

W. JUngst Ch. Weddigen

Das vorliegende Buch befaBt sich mit ausgewahlten Kapiteln der Elektronik. Es ist aus einer Vorlesung entstanden, die zusammen mit einem begleitenden Prakti­kum Physikstudenten des fUnften bis siebenten Semesters angeboten wird. Ver­gleichbare Veranstaltungen wurden wiederholt am Kernforschungszentrum Karlsruhe im Rahmen der innerbetrieblichen Fortbildung durchgefUhrt. Sie stieBen auf reges Interesse bei Betriebsangehorigen, angefangen von Lehrlingen elektrotechnischer Fachrichtungen bis zu promovierten Wissenschaftlern, auch benachbarter Diszipli­nen.

Eine EinfUhrung in die Elektronik soll nicht nur Wissen Uber spezielle Schal­tungen vermitteln, sondern insbesondere den Leser mit den Grundbegriffen und

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den rechnerischen Methoden dieses Gebietes vertraut machen. Deren Verstandnis sind Voraussetzung fUr das Einarbeiten in Spezialgebiete, fUr den Entwurf beno­tigter Schaltungen und fUr die Planung des Einsatzes kommerzieller Gerate. Als Lernobjekt sind Schaltungen besonders geeignet, die mit geringem experimentel­len Aufwand realisiert und untersucht werden konnen. Unter diesem Gesichtspunkt wurde der behandelte Stoff auf die Halbleiterelektronik beschrankt. Dabei nimmt die Informationselektronik eine bevorzugte Stellung ein, da sie ein breites Spektrum interessanter Schaltkreise ·umfaBt und in nahezu allen Gebieten der Technik angewandt wird.

Die vorliegende EinfUhrung umfaBt drei Teile. 1m ersten Teil werden die Ele­mente der analogen Elektronik (lineare Netzwerkelemente, Dioden, bipolare und Feldeffekttransistoren, Operationsverstarker) und eine Vielzahl ihrer Schaltun­gen behandelt. Unter Verwendung elementarer Netzwerktheorie werden insbesondere die Transistorgrundschaltungen vollstandig durchgerechnet und die Ergebnisse fUr die Prinzipschaltungen auf realistische Dimensionierungsbeispiele angewandt.

Der zweite Teil fUhrt in die Grundlagen der digitalen Elektronik ein und be­handelt wichtige digitale Schaltkreise. Schaltungen zur Realisierung der vier Grundrechenarten werden anhand gangiger TTL-Bausteine eingefUhrt.

Der dritte Teil des Buches beginnt mit komplexeren Schaltungen, mit denen der Experimentator haufig konfrontiert wird, namlich mit Signalumsetzern, die insbe­sondere analoge, digitale und Zeitsignale ineinander UberfUhren. Anhand typischer kernphysikalischer MeBanordnungen wird das Zusammenspiel derartiger elektroni­scher Einheiten erlautert. Nach der Beschreibung von Vielkanalanalysatoren und ihrer Anwendungen endet das Buch mit einem Oberblick Uber die physikalischen Grenzen der MeBwerterfassung und mit Techniken zur Messung kleiner Signale.

Die meisten Kapitel sind durch Abschnitte DO IT YOURSELF erganzt, in denen insbesondere Experimentiervorschlage gemacht werden. Die betreffenden Schaltun­gen sind erprobt und werden zum groBten Teil seit vielen Jahren in unserem Praktikum bearbeitet.

Ohne die gewahrte UnterstUtzung durch das Kernforschungszentrum Karlsruhe und durch die Universitat Karlsruhe hatte dieses Buch nicht geschrieben werden konnen. Herr Dipl.-Ing. Ulrich Kluge, Springer-Verlag Berlin, hat das Manuskript kritisch durchgesehen und zahlreiche Verbesserungsvorschlage gemacht. Ihm gilt unser besonderer Dank, ebenso wie Frau Gertrud Firl fUr das unermUdliche Schrei­ben und Korrigieren des Textes und Frau Monika Hochstrate fUr die sorgfaltige Gestaltung der Zeichnungen. Oem Springer-Verlag danken wir fUr die angenehme und konstruktive Zusammenarbeit.

Karlsruhe, FrUhjahr 1986

Inhalt

Einleitung .....•...............................••.•..•.•.•..•....•.........

1. L ineare Netzwerkelemente ..............•....•....•.•.•••••.••..••.....••. 3 1.1 Der Widerstand ......••...................•.•..•..•..•.•......•...•.• 4 1.2 Die Spannungsquelle ................................................. 6 1.3 Die Stromquelle ..................................................... 8

1.4 Die Kapazitat ....................................................... 9 1.5 Die Induktivitat 11 1.6 Das Koaxialkabel .................................................... 12

1.6.1 Das ideale Koaxialkabel ....................................... 13 1.6.2 AbschluBwiderstand und Reflexionen ...•....•..•.......•....•... 14

1.6.3 AngepaBte Signalabschwachung und -verteilung ............•..... 16

1.6.4 Das reale Koaxialkabel ........................................ 17 1.6.5 Das Verzogerungskabel ......................................... 18

1.E DO IT yOURSELF...................................................... 19

2. Das Wechselstromverhalten von RCL-Schaltungen .........•.....•..........• 23

2.1 Die komplexe Beschreibung des Wechselstromverhaltens linearer Netzwerke ....................................•........•......•...... 23

2.2 Serienschaltungen von R und C (Hoch- und TiefpaB) •...•........•..... 26 2.3 Schwingkreise ................•...............•......•........••.•.•• 27 2.4 Kettenschaltung dreier RC-Glieder ..........•..•......•...•..•....•.• 29 2.5 Der frequenzkompensierte Spannungsteiler ....•.•.••.•...•.........•.• 30 2.6 Eine iterative Filterkette als Verzogerungsleitung ...•...•.•.•.•.•.• 31 2.7 Ein Verfahren zur Messung von Impedanzen ........•........•.•......•. 33

2.E DO IT yOURSELF...................................................... 35

3. Analyse 1 inearer Netzwerke .............................................. 40

3.1 Die Maschenanalyse ...................................•....•.•....... 40

3.2 0 i e Knotenana 1 yse ....................•..•..••..•.•.....•.....•...... ·14

3.3 Das Oberlagerungstheorem .•.................•..•.•................... 46

3.4 Der Satz von der Zweipolquelle (Das Theorem von Thevenin) .......•.•• 46 3.5 Der Satz von der Ersatzstromquelle (Das Theorem von Norton) ......... 47

- VJII -

3.6 Analyse eines DAC-Leiternetzwerkes ••••••••••••••••••.••••••••••••••• 48

3. E DO IT YOURSELF •••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 49

4. Das Impulsverhalten von RCL-Schaltungen ••••••••••••••••••.•.•••.••••••.• 52 4.1 Die RL-Serienschaltung •••••••.•••••••••••••••••••••••.•••••••••.•••. 53 4.2 Di e RC-Seri enscha 1 tung .•••••.•.••••••••.•••••••••••••••••••••••••••• 55

4.2.1 Das Differenzierglied •••.••••••.••••••••••••••••••••.••••••••• 56 4.2.2 Das Integrierglied ••••••••••••••••••••••••••••••••.•••••.••••• 58

4.3 RCL -Scha 1 tungen •••••••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 59 4.3.1 Die RCL-Serienschaltung ••••.•••••••••••.•••••••••.•••.•.•.•••• 59 4.3.2 Die RCL-Para11elschaltung .••••••••••.•.•••••••••••••••••••.••. 63

4.4 Zwei weitere RC-Netzwerke ••••.•••••••••••••••••••••••••••.•••••••••• 64 4.4.1 Das Integrier-Differenzierglied ••••••••••••.•••.••••••••..•.•• 64 4.4.2 Das Doppeldifferenzierglied •••• ••• •••••• ••• •••• ••••.••• ••••.•• 65

4.5 Antwortfunktionen fUr beliebige Eingangsimpulse ••••••••••••••••••••• 67 4. E DO IT YOURSELF ••••.•••.•••••••••••••••.•••••••••.•••••••••••••.••••• 68

5. Dioden und Diodenschaltungen •.••••••••••••••••••••••••••••••••.•.••••••• 72 5.1 Die Flachendiode •....•.•.•.•••...•••.•.•••.•••••••.••••.•.•••••••••• 72

5.1.1 Kennlinie und Schaltverhalten •••.•••••••••..••••••••••••.••••• 72 5.1.2 Linearisierte Ersatzschaltungen •••••••••••••••.••..•.•.•.••••• 74

5.2 Spezialdioden •.•.••••••••••••..•••••.••••••••••••••••••.••••••••.••• 75 5.2.1 Die Zener-Diode............................................... 75 5.2.2 Die Tunnel- und die Backward-Diode •••••••••••••...•.•...•.•••• 76 5.2.3 Kapazitats- und Schottky-Dioden ••.••.••...••••.•..••••.••••••• 78 5.2.4 Foto- und Luminiszenzdioden .•••••..•.•••••••.•••..••...•.•••.• 78

5.3 Einige Diodenschaltungen ••••••••••••••••••••••••.••••••.•••••••.•••• 79 5.3.1 Die Vollweggleichrichtung .••••••••.•..•••••.••••••...•.•.••••• 79 5.3.2 Di e Kas kadenscha 1 tung ••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 80 5.3.3 Di e Zener-Di ode a 1 s Spannungsque 11 e ••••••.•••••••••.•••.•••••• 84 5.3.4 Eine Klammerschaltung mit Zener-Dioden ••••••••.••••••.•.•••••• 84 5.3.5 Ki ppscha ltungen mit Tunnel di oden ••.•••••••••••••••••••••••.••• 85

5. E DO IT YOURSELF .•••••••.•.•..•••••••••••••••••••••••••.••••••••.••••• 87

6. Transistoren und Eintransistorschaltungen ••••.•••••••••••••••••••••••••• 91

6.1 Der bipolare Transistor............................................. 91 6.1.1 Kennl inien und KenngroBen .••••••••••••••••••••••••••••••••.••• 92 6.1.2 Linearisierte Ersatzschaltungen ••••••••••••••••••••••••••.•••• 94 6.1.3 Der Transistor als Schalter •••••••••••••••••••••••.•.••••.•••. 96

6.2 Trans i storscha 1 tungen •.•••••••••••••••.••••••••••••••••••.••.••••••• 97 6.2.1 KenngroBen von Transistorschaltungen •••••••••••••••••••••••••• 97

- IX -

6.2.2 Der Entwurf einer Transistorschaltung ••••••••••••••••••••••••• 98 6.2.3 Beispiel 1: Der Emitterfolger ••••••••••••••••••••••••••••••••• 98 6.2.4 Beispiel 2: Der stromgegengekoppelte Verstarker ••••••••••••••• 101 6.2.5 Serienschaltung von Verstarker und Emitterfolger •••••••••••••• 103

6.3 Die Transistorgrundschaltungen •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 104 6.3.1 Die formale Berechnung der KenngroBen ••••••••••••••••••••••••• 104 6.3.2 Die Kollektorgrundschaltung (Emitterfolger) ••••••••••••••••••• 105 6.3.3 Die Basisgrundschaltung ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 106 6.3.4 Die Emittergrundschaltung ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 107

6.4 Zwei weitere Eintransistorschaltungen ••••••••••••••••••••••••••••••• 109 6.4.1 Der stromgegengekoppelte Verstarker ••••••••••••••••••••••••••• 109 6.4.2 Der spannungsgegengekoppelte Verstarker •••••••••••••••.••••••• 110

6.5 Eintransistorschaltungen (Zusammenfassung) •••••••••••••••••••••••••• 111 6.E DO IT yOURSELF ...................................................... 112

7. Weitere Transistorschaltungen ........................................... 117 7.1 RUckkopplung ••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••••••••••• 117

7.1 .1 Mi tkopp 1 ung: G'> 0 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 117 7.1.2 Gegenkopplung: G < 0 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 118

7.2 Der Begriff der virtuellen Masse ••••••••••••••••••••••••••.••••••••• 121 7.3 Kippschaltungen mit zwei Transistoren ............................... 121

7.3.1 Das RS-Fl ipflop ............................................... 121 7.3.2 Der Univibrator ............................................... 122 7.3.3 Der Multivibrator ............................................. 122

7.4 Impedanzwandler ..................................................... 124 7.4.1 Der Whitesche Emitterfolger ................................... 125 7.4.2 Darlington-Schaltungen und Spannungsfolger •• ~ •••••••••••••.••• 126 7.4.3 Impedanzwandler mit Bootstrap •••••.•••••••.••••••••••••••••••• 127

7.5 Schaltungen mit 'long-tailed pairs' ••••••••••••••••••••••••••••••••• 127 7.5.1 Das lineare Tor ............................................... 128 7.5.2 Der Differenzverstarker ....................................... 128

7.6 Schnelle Schaltungen (Miller-Effekt) •••••••••••••••••••••••••••••••• 130 7.6.1 Differenzverstarker mit einem Eingang ••••••••••••••••••••••••• 131 7.6.2 Die Kaskodenschaltung ......................................... 131

7.7 Stromspiegel ........................................................ 131 7.E DO IT yOURSELF ...................................................... 132

8. Feldeffekttransistoren (FETs) ........................................... 138 8.1 Der JFET •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 139 8.2 Der MOSFET .......................................................... 141 8.3 Linearisierte Ersatzschaltung fUr FETs •••••••••••••••••••••••••••••• 143

- x -

8.4 Einige typische FET-Schaltungen ...•..........•....•....••.•••••••.•• 144 8.4.1 Sourcefolger .................................................. 144 8.4.2 Kaskoden-Differenzverst~rker •.•..•....•.•....•.•..•......•.•.• 145 8.4.3 Variable Widerst~nde •...••••••......•......•••....•.•......•.• 146 8.4.4 L ineare Schalter .............................................. 147

8.E DO IT yOURSELF •........•.......•••••..•.•....•.........•............ 148

9. Der integrierte Operationsverst~rker und seine Grundschaltungen ...•....• 154

9.1 Der elektronische Aufbau des 741 ....•.........•.....•............... 155 9.2 KenngroBen und linearisierte Ersatzschaltung des lOP .........•....•. 156 9.3 Der lOP in analogen Schaltungen (Goldene Regeln) ............•....... 157 9.4 Berechnung der Grundschaltungen des lOP ............................. 159

9.4.1 Die invertierende Grundschaltung (Umkehrverst~rker, Drift-kompensation) ......•.•....•......•......•...............•..... 159

9.4.2 Die nichtinvertierende Grundschaltung (Elektrometerverst~rker

und Spannungsfolger) ..........•.•.......................•.•.•. 161 9.5 Das dynamische Verhalten des lOP ..............................•..... 163

9.5.1 Frequenzgang und Frequenzkompensation .........•..............• 163 9.5.2 Anstiegsgeschwindigkeit und interne Verzogerung ..........•.... 166

9.6 Obersicht Uber das Angebot an Operationsverst~rkern ................. 166 9.E DO IT yOURSELF ...................................................... 169

10. Weitere Schaltungen mit Operationsverstarkern ........................... 171 10.1 Analoge Rechenoperationen .........................................• 172

10.1.1 Der Rechenverst~rker ....•................................... 172 10.1.2 Die analoge Subtraktion ...............................•..... 173

10.2 Schwellenwertdetektoren ............................................ 174 10.2.1 Der Komparator .............................................. 174 10.2.2 Der Schmitt-Trigger mit lOP ...•.....................•.....•. 174

10.3 Generatoren .....................•••..••............................ 175

10.3.1 Der Phasenschieberoszillator ..•......•................•...•. 175 10.3.2 Der Rampengenerator (Spannung-Frequenz-Umsetzer) ......•..•.. 176

10.3.3 Flipflop-Schaltungen mit lOP ...•...••........•......•..•...• 177 10.4 ldeale Gleichrichter ............................................... 178

10.4.1 Der ideale Halbwellengleichrichter und Spitzenwertdetektor .. 178

10.4.2 Der ideale Vollwellengleichrichter .......................... 179 10.5 NlC-Schaltungen .................................................... 180

10.5.1 Die Erzeugung negativer Widerstande und Kapazitaten .•..••.•• 180 10.5.2 Konstantstromquelle mit NlC ................................. 181 10.5.3 Der Gyrator ................................................. 182

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10.6 Aktive Filter ...................................................... 184 10.E DO IT yOURSELF ..................................................... 186

11. Grundlagen der digitalen Elektronik .•....•...••..•.••....•.••.•..•...••• 196 11.1 Grundlagen der Schaltalgebra .....••.•.•.•..•.••.•••••••..•..•.••.•• 197

11.1.1 Schaltalgebraische Variable und ihre StandardverknUpfungen •• 197 11.1.2 Normalformen schaltalgebraischer Funktionen •.••.••.•...•••.• 199 11. 1. 3 Gesetze und Regel n der Scha lta I genra ........................ 201

11.2 Der Entwurf einer digitalen Schaltung .••..••..••.••..•..•.•....•••• 203 11.3 Logikfamilien ...................................................... 204

11.3.1 DTL-Grundschaltungen ..•••..••.••.•..•.......•.....•.•..•••.• 205 11.3.2 Die TTL-Grundschaltung 205 11.3.3 Die ECL-Grundschaltung ..••.•.•...••.•..•.....•....•.•....••• 206 11.3.4 CMOS-Grundschaltungen ..•...•.•...•.•..•..•..•......•......•• 207

11.3.5 Vergleich der Logikfamilien .••....•..•.......••...•...•.••.• 208 11.4 Weiteres Uber TTL-Gatter ........••.••...•.•.•••.....••........••... 209

11.4.1 TTL-Baureihen ......•..••...•...•.•..•.•..••...•..•.•....••.. 209 11.4.2 NAND- und AND-Gatter, TTL-Schaltverhalten ................... 210 11.4.3 NOR-, OR- und EXOR-Gatter .....•....•..•.....•••............. 212 11.4.4 Inverter, offene Eingange und spezielle Ausgange von

TTL-Gattern .....•...•...•...........•..•..•..•........•....• 213 I1.E DO IT yOURSELF ..................................................... 214

12. Digitale Kippschaltungen ................................................ 216 12.1 Grundschaltungen .......................•............•....•.•...•••. 216

12.1.1 Das RS-Fl ipflop ............................................. 216 1 2 • 1 • 2 Da 5 D - F 1 i p fl 0 p ••••.••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••• 21 7

12.1.3 Der Univibrator und der Multivibrator ..........•............ 218 12.2 Klassifizierung digitaler Flipflops .........•.................•.... 218

12.2.1 Klassifizierung nach Ansteuerung ........••..•...•.....•.••.. 219 12.2.2 Klassifizierung nach Wahrheitstabelle ......•.•.............• 220

12.3 Beispiele fUr Fl ipfloptypen ........................................ 221 12.3.1 RS-Fl ipflops .......•.•..............•.....••........•..•...• 221 12.3.2 D-Fl ipflops •.•..........•...•..•...........•.•.••.•.•....•.• 222 12.3.3 JK-Flipflops ................................................ 222

12.4 Clock-Generatoren .....•........•....•..•..•.•......•••....••.•.••.. 223 12. E DO IT YOURSELF ....••..•.••.•.........••••..•......•.•...•.•...••.•• 225

13. Weitere digitale Schaltungen ..•........•.•••••......•.•.•..•..•.••••...• 228 13.1 Kombi na tori sche Scha ltungen ........................................ 228

13.1.1 Codewandl er ....•...•..••..•....•...••.•....•..•..•.....•.••• 228

- XII -

13.1.2 Multiplexer und Demultiplexer 229 13.2 Zah 1 erscha 1 tungen ••••••••••••••.••••.•••••••••••••••••••••••••••••• 230

13.2.1 Asynchrone Binarzahler ...................................... 230 13.2.2 Synchrone Binarzahler ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 231 13.2.3 Untersetzer (Frequenzteiler) •••••••••••••••••••••.•.•••••••• 232

13.3 Schieberegister .................................................... 233 13.4 Halbleiterspeicher ................................................. 234 13.E DO IT yOURSELF ..................................................... 236

14. Digitale Rechenschaltungen ..••••••••••••••••••••••••.••.•••••.••••.••••• 239 14.1 Addierer •.••••••.••.•.•.••.••••••••••••••••••••.••••••••.••••.••••• 239

14.1.1 Der Halbaddierer ••.•••.•.•..•.••••••••••.•••••••••.••••••••• 239 14.1.2 Der Volladdierer ............................................ 240 14.1.3 Der 4-Bit-Volladdierer SN7483 •••••.••.••..•.•••.•.•••.•••••• 240

14.2 Darstellungen von Dualzahlen ....................................... 241 14.2.1 Die natUrliche Darstellung A(n) ganzer positiver Zahlen ••••• 241 14.2.2 Die Standarddarstellung A(n) ganzer Zahlen mit Vorzeichen ••• 242 14.2.3 Die n-Bit-Darstellung A(n) ganzer Zahlen mit Vorzeichen ••••• 242

14.3 Digitale Parallelrechennetze ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 243 14.3.1 Addiernetze ••••••••••••••••••••••••••••••.•••••••••••••••••• 243 14.3.2 Subtrahiernetze ••••••••••••••••••.•••••••••••••••.•••••••••• 244 14.3.3 Die parallele Multiplikation ................................ 245 14.3.4 Die parallele Division ......•..................•............ 246

14.4 Die serielle Multiplikation ........................................ 247 14.E DO IT yOURSELF ..................................................... 248

15. Signalumsetzer .....•.•.••.•..•..••.......•....•..•...•...•.•.......•.••• 251 15.1 Amp 1 i tudenumsetzer .....•..•.......•..•....•••.•...•....•.••..•.••.• 252

15.1.1 Di skrimi na toren .....•.••••••.•••.•••.•••.•..•....•..••.•••.• 252 15.1.2 Diskriminatoren mit verbesserter Zeitauflosung •••••••••••••• 253

15.1.3 Amplitude-Zeit-Umsetzer (ATC) •.••.•••..•••.•••••••.••••••••• 254 15.1.4 Spannung-Frequenz-Umsetzer (VFC, VCO) ....................... 256

15.2 Umsetzung digitaler Signale •..•••••.••..•••••••.•.•.••.••.••.•••.•• 256 15.2.1 Digital-Analog-Umsetzer (DAC) •.•••.•.•.••••••••••••••••••••• 256 15.2.2 Funktionsgeneratoren ........................................ 257 15.2.3 Erzeugung eines Zeitintervalls (Timer) •••••••••••••••••••••• 257

15.3 Frequenzumwandlung .................................................. 258 15.3.1 Zlihlratenmesser ('rate meter') .............................. 258 15.3.2 Weitere Frequenzumwandler ................................... 258

15.4 Umwandlung von Zeitsignalen ........................................ 259 15.4.1 Zeit-Amplitude-Umsetzer (TAC) •••••••••.••..••••••••••••••••• 259

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15.4.2 Koinzidenzen ................................................ 259

15.4.3 Zeit-Digital-Umsetzer (TDC) •••.•.••.••.•.••••••••••••••••••• 261

15.4.4 Zeitmittelwertbildner ('mean-timer') ........................ 261

15.5 Analog-Digital-Umsetzer (ADCs) ••••••.••••.•••..•••••••.•••••.••.••• 262

15.5.1 Parallelkonversion (FADCs) ••.•••••••••••••••••..••.••.••.••• 262 15.5.2 Die inkrementelle Technik ................................... 263 15.5.3 Die schrittweise Naherung ('successive approximation') ••••.• 264 15.5.4 Die Methode der gleitenden Schwellen ••••..•••••.•..••.•••••• 264 15.5.5 Serielle Konversion ......................................... 265

15. E DO IT YOURSELF ...•••...•...•..••••.•.•••.•••.•.•...•••••..••••••••• 266

16. Kernphys i ka 1 i sche Mei3anordnungen ........................................ 272 16.1 Flugzeitmessungen .................................................. 272 16.2 Messung von Energiespektren mit Teilchenidentifizierung •.•..•.•.••• 275

17. Der Vielkanalanalysator und seine Anwendungen .•..••••••...•.•....••.•••• 279

17.1 Der Vielkanalanalysator (VKA) ...................................... 279

17.2 Anwendungen des VKA •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 280

17.2.1 Der Vielfachzahlerbetrieb ................................... 281

17.2.2 Messung von Moi3bauer-Spektren •.•......•.......•.••.•.•...... 281

17.2.3 Messung von Signalhohenwahrscheinlichkeiten •.•.•.•.•....•.•• 282 17.2.4 Zweiparametrige Vielkanalanalysatoren •.•...••...•..•......•. 282

17.3 Der Signalhohenmittler ............................................. 283

18. Messung kleiner Signale ................................................. 285 18.1 Elektrometer-Multimeter ............................................ 285 18.2 Storungen bei der Messung kleiner Signale .•..•.............•..••..• 287

18.2.1 Rauschen .................................................... 288 18.2.2 ~ui3ere StoreinflUsse ........................................ 291

18.3 Rauschkenngroi3en ..........•••.....•...•.....••.....•.•......•.•.••. 293 18.4 Techniken zur Messung kleiner Signale .•...•..•.....•••...•..••...•. 294 18.E DO IT yOURSELF ..................................................... 296

Anhang A: Anhang B: Anhang C: Anhang 0:

Anhang E: Anhang F:

Eigenschaften von Obertragungsleitungen ......••..••••.....••••.••• 297

Gruppen- und Phasengeschwindigkeit •.•....••.•.•..••.•...•.•..••••. 299

Rechnen mit komplexen Zahlen ...................................... 300 Verzeichnis der Obungsaufgaben •••••.•.•.•.•..•.•...•••.•••.••.•.•• 303

Zum Ana 1 yseprogramm PSP I CE •.•.•••.•••.•.•.•••••••••.•••••••.•.•••. 306 Zur Bearbeitung der Experimentiervorschlage •...•.••••••••••••••••• 309

Quellen und L iteraturhinweise ............................................... 314 Sachregister •..•.•.•...•..•....•...••••.•...••••.•.•.••••••....•.•.•..•••.•. 315