Schaltungstechnik - Cheatsheet

Elektronen- und Löcherbewegung in Halbleitern

Definition:

Elektronen und Löcher sind Ladungsträger in Halbleitern. Ihre Bewegung bildet die Grundlage für den elektrischen Stromfluss in diesen Materialien.

Details:

• Elektronen: Negative Ladungsträger im Leitungsband
• Löcher: Positive Pseudopartikel im Valenzband
• Bewegung durch äußere elektrische Felder beeinflusst
• Elektrische Leitfähigkeit hängt von Trägerdichte und Beweglichkeit ab
• Bewegungsgleichung für Elektronen: \[ \vec{v}_n = \mu_n \vec{E} \]
• Bewegungsgleichung für Löcher: \[ \vec{v}_p = \mu_p \vec{E} \]
• \( \mu_n \): Beweglichkeit der Elektronen, \( \mu_p \): Beweglichkeit der Löcher
• \( \sigma = q (n \mu_n + p \mu_p) \)
• \( n \): Elektronendichte, \( p \): Löcherdichte, \( q \): Elementarladung

Common-Emitter- und Differenzverstärker

Definition:

Die Themen Common-Emitter-Verstärker und Differenzverstärker umfassen grundlegende Stellschaltungen in der Elektronik, die in der Schaltungstechnik zur Verstärkung von Signalen verwendet werden.

Details:

• Common-Emitter-Verstärker: Grundlegende Transistorkonfiguration, bei der das Eingangssignal an die Basis und das Ausgangssignal an den Kollektor angelegt wird.
• Gleichstromverstärkung: \(\beta = \frac{I_C}{I_B}\)
• Spannungsverstärkung: \(\frac{V_{out}}{V_{in}} = -g_m \times R_C\), wobei \(g_m = \frac{I_C}{V_T}\)
• Differenzverstärker: Verstärkerschaltung mit zwei Eingängen zur Verstärkung der Differenz zwischen den Eingangssignalen.
• Gleichtaktunterdrückung: \(\text{CMC}_{\text{RR}} = \frac{A_d}{A_{CM}}\)

Grundkonzepte von Gleichspannungswandlern (DC-DC Converter)

Definition:

Elektronisches Schaltungselement zur Umwandlung von Gleichspannung in eine andere Gleichspannung. Wichtig in der Energieversorgung in der Informatik.

Details:

• Arten: Buck (Step-Down), Boost (Step-Up), Buck-Boost (Step-Up/Down)
• Wirkungsgrad wichtig: typ. 70–95%
• Grundlagen: \[V_{out} = k \times V_{in}\] (je nach Schaltungstopologie variiert k)
• PWM (Pulsweitenmodulation) zur Steuerung
• Wichtige Komponenten: Spulen, Kondensatoren, Schalter (Transistoren)

Phasenrauschen und Schwingkreisanalyse

Definition:

Details:

• Phasenrauschen: Unregelmäßigkeiten in der Phase eines Signals, definiert als Rauschspektraldichte in einem bestimmten Frequenzabstand zur Trägerfrequenz
• Formel für das Phasenrauschen: \(L(Δf) = 10 \log_{10} \left(\frac{S(\f_0 + Δf)}{S(\f_0)}\right) \) in dBc/Hz
• Typische Messverfahren: direkte Spektrumanalyse, Phasenvergleichsmethode
• Schwingkreisanalyse: Untersuchung der Resonanzfrequenz und Dämpfung eines Schwingkreises
• Resonanzbedingung: \(f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \)
• Gütefaktor (Q-Faktor): Maß für die Dämpfung, definiert als \(Q = \frac{f_0}{Δf} \)
• Relevante Kenngrößen: Resonanzfrequenz \(f_0 \), Bandbreite \(Δf \), Dämpfungsfaktor

Schutzschaltungen und EMV-Aspekte (Elektromagnetische Verträglichkeit)

Definition:

Schutzschaltungen: Schutz elektronischer Komponenten vor Überspannung, ESD, etc.; EMV-Aspekte: Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit zur Vermeidung von Störungen.

Details:

• Überspannungsschutz: Z-Dioden, Varistoren
• ESD-Schutz: TVS-Dioden, Schutzbeschichtungen
• Filter: LC-Filter, Ferritkerne
• Bildschirmung: Gehäuseerdung, Kabelabschirmung
• EMV-Designregeln: Trennung von Signal- und Leistungskreisen, minimale Leiterschleifen, Vermeidung von Antenneneffekten
• Entkopplung: Kondensatoren nahe an Versorgungsleitungen
• PCB-Layout: Saubere Signalführung, ausreichende Masseflächen
• Störquellen: Schaltregler, HF-Schaltungen

Simulationssoftware und Werkzeuge zur Schaltungsanalyse

Definition:

Software und Werkzeuge, die verwendet werden, um elektrische Schaltungen zu simulieren und zu analysieren.

Details:

• Hauptsoftware: SPICE, LTspice, PSpice
• Fähigkeiten: DC-Analyse, AC-Analyse, Transientenanalyse
• Modelle: Transistoren, Dioden, passives Bauelement
• Ergebnisse: Spannungen, Ströme, Leistungsaufnahme
• Nutzen: Fehlersuche, Optimierung, Design-Verifikation

Verhalten von Halbleitern unter verschiedenen Temperatur- und Spannungseinflüssen

Definition:

Halbleiter zeigen unter verschiedenen Temperatur- und Spannungsbedingungen unterschiedliche Verhaltensweisen.

Details:

• Erhöhung der Temperatur: Leitfähigkeit steigt, da mehr Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband gehoben werden.
• Absenkung der Temperatur: Leitfähigkeit sinkt, da weniger Elektronen verfügbar sind.
• Spannungserhöhung: Mehr Ladungsträger werden injiziert, Erhöhung von Stromfluss und Leitfähigkeit.
• Halbleiter-Dioden:
  • Durchlassrichtung: Geringer Widerstand, hoher Stromfluss bei Erhöhung der Temperatur.
  • Sperrrichtung: Erhöhung der Durschlagspannung bei niedrigen Temperaturen.
• Thermische Spannungen: Erzeugung von Leckströmen bei hohen Temperaturen.
• Formeln:
  • Leitfähigkeit: \( \sigma = \frac{1}{\rho} \)
  • Widerstand: \( \rho = \frac{1}{n q \mu} \)
  • Leckstrom (Dioden): \( I_{S} = I_{0} e^{\frac{V}{n k T}} \)