Grundlagen der Schaltungstechnik - Cheatsheet

Definition und Prinzipien digitaler Schaltungen

Definition:

Digitale Schaltungen verarbeiten Signale, die nur zwei Zustände annehmen können: 0 und 1 (binär).

Details:

• Grundlagen: Transistoren als Schaltelemente
• Logikgatter: UND, ODER, NICHT (AND, OR, NOT)
• Wichtige Konzepte: Boolesche Algebra, Wahrheitstabellen
• Kombinatorische Logik vs. sequenzielle Logik
• Speicher: Flip-Flops, Register, Speicherzellen
• Schaltungsdesign: Verwendung von HDL (Hardware Description Language) wie VHDL/Verilog
• Zustandsmaschinen: Mealy- und Moore-Automat

Grundlagen analoger Schaltungen

Definition:

Analoge Schaltungen verarbeiten kontinuierliche Signale und arbeiten typischerweise mit Bauelementen wie Widerständen, Kondensatoren und Transistoren.

Details:

• Widerstände (R): Ohmsches Gesetz: \(V = IR\)
• Kondensatoren (C): Lade- und Entladekurven: \(\tau = RC\)
• Transistoren: Basis-, Kollektor-, Emitter-Kopplung; Verstärkung und Schaltungstypen
• Signale: kontinuierlich, können jede beliebige Amplitude annehmen
• Grundgrößen: Spannung (V), Strom (I), Widerstand (R), Kapazität (C)

Aufbau und Funktionsweise eines Operationsverstärkers

Definition:

Operationsverstärker (Op-Amp) sind integrierte Schaltungen, die als Spannungsverstärker arbeiten. Sie haben hohe Verstärkung, hohe Eingangsimpedanz und niedrige Ausgangsimpedanz.

Details:

• Bestandteile: Differenzverstärker, Kompensationskondensator, Ausgangsstufe
• Ideale Eigenschaften: Unendliche Verstärkung, unendliche Eingangsimpedanz, Null Ausgangsimpedanz, unendliche Bandbreite
• Arbeitsweise: Vergleich der Spannungen an den Eingängen (invertierend und nicht-invertierend)
• Formel: Ausgangsspannung \(\text{V}_\text{out} = A(\text{V}_\text{in+} - \text{V}_\text{in-})\)
• Häufige Anwendungen: Signalverstärkung, Filter, Oszillatoren, Regelkreise
• Rückkopplung: Negativ verwendet zur Stabilisierung und Kontrolle der Verstärkung

Grundlegende logische Operationen: AND, OR, NOT

Definition:

Grundlegende logische Operationen in der digitalen Schaltungstechnik, entscheidend für die Funktionalität von Computern.

Details:

• AND: Logische UND-Operation, gibt nur 1 zurück, wenn beide Eingaben 1 sind. Formel: A ∧ B
• OR: Logische ODER-Operation, gibt 1 zurück, wenn mindestens eine Eingabe 1 ist. Formel: A ∨ B
• NOT: Logische NICHT-Operation, invertiert den Eingabewert. Formel: ¬A
• Wahrheitstafeln:

Dioden und ihre Eigenschaften

Definition:

Halbleiterbauelement, das den elektrischen Strom hauptsächlich in eine Richtung leitet.

Details:

• Sperrspannung (\text{V}_{\text{R}}): Max. Spannung in Sperrrichtung
• Durchlassspannung (\text{V}_{\text{F}}): Spannungsabfall in Durchlassrichtung
• Schwellenspannung (\text{V}_{\text{th}}): Spannung, ab der die Diode leitet (ca. 0.7V für Si, 0.3V für Ge)
• Sperrstrom (\text{I}_{\text{R}}): Strom durch die Diode in Sperrrichtung (sehr gering)
• Durchlassstrom (\text{I}_{\text{F}}): Strom durch die Diode in Durchlassrichtung
• Typen:
  • Gleichrichterdioden
  • Zener-Dioden (Spannungsregler)
  • Leuchtdioden (LEDs)
• Verwendung: Gleichrichtung, Spannungsstabilisierung, Signalverarbeitung, Lichtemission

Verstärker- und Schaltanwendungen von Transistoren

Definition:

Verstärker- und Schaltanwendungen von Transistoren umfassen die Nutzung von Transistoren zur Signalamplifikation und als elektronische Schalter.

Details:

• Transistor als Verstärker: Verstärkung von Strom- oder Spannungspegel
• Transistor als Schalter: Betrieb im „Ein“- und „Aus“-Zustand
• Arbeitsbereiche:
  • Aktiver Modus für Verstärkerschaltungen
  • Sättigungs- und Sperrmodus für Schaltanwendungen
• Verstärkungsfaktor \( \beta \) oder \( h_{fe} \)
• Verstärkungsformeln: \( V_{out} = \beta \cdot V_{in} \)

Anwenden von Boole’scher Algebra

Definition:

Anwendung der Boole’schen Algebra zur Vereinfachung und Analyse digitaler Schaltungen.

Details:

• Grundoperationen: UND (\texttt{\bf AND}), ODER (\texttt{\bf OR}), NICHT (\texttt{\bf NOT})
• Gesetze: Idempotenz, Kommutativität, Assoziativität, Distributivität
• De Morgan'sche Gesetze zur Umformung von Ausdrücken
• Vereinfachung durch Karnaugh-Diagramme und Quine-McCluskey-Algorithmus