"Elektronik fuer Physiker 001.ps.gz" - читать интересную книгу автораElektronik f"ur Physiker Scriptum zur Vorlesung im Wintersemester 1998/99 U. Straumann Physikalisches Institut Universit"at Heidelberg i Einleitung Die Elektronik spielt im Leben jedes erfolgreichen Experimentalphysikers eine zentrale Rolle. Praktisch alle physikalischen Messungen werden vom Experimentator - anstelle direkter Beobachtung mit einem seiner f"unf Sinne - mit Hilfe von Sensoren durchgef"uhrt, die die physikalische Messgr"osse in eine elektrischen Spannung oder Ladung transformiert. (Sechste und h"ohere Sinne ("Intuition") sind allerdings nach wie vor unverzichtbare Hilfsmittel f"ur ein erfolgreiches Experimentieren, besonders auch bei Verwendung von elektronischen Ger"aten.) Diese elektrischen Messignale m"ussen verst"arkt, gefiltert, digitalisiert, komprimiert und einem Rechner zugef"uhrt werden, wo die Daten schliesslich protokolliert und analysiert werden. In dieser Vorlesung sollen alle diese Schritte der Messkette behandelt werden. "Messen" bedeutet bekanntlich "Fehler machen". Ein zentrales Anliegen der Elektronikausbildung eines Physikers muss es deshalb auch sein, das Verst"andnis f"ur die in elektronischen Messschaltungen auftretenden Messfehler zu wecken und zu f"ordern. Experimentieren heisst aber auch, Naturvorg"ange unter wohldefinierten Umweltbedingungen zu beobachten. Neben der Messung stellen deshalb auch die Steuerung und Regulierung dieser Umweltbedingungen ein weites Anwendungsgebiet f"ur elektronische Schaltungen dar, die vom Physiker verstanden, richtig eingesetzt und gelegentlich auch selbst entwickelt werden m"ussen. Experimentalphysiker verwenden fertige elektronische Schaltungen, oder sie legen die Spezifikationen f"ur die Entwicklung von neuen Ger"aten fest. Oft stehen sie auch vor dem Problem, dass mehrere Ger"ate mit den richtigen Funktionen zwar zur Verf"ugung stehen, aber signalm"assig nicht richtig zu einander passen. Dann muss ein Interface gebastelt werden. Das Ziel dieser einsemestrigen Einf"uhrung ist es dementsprechend, die H"orer zu bef"ahigen, 1. einschl"agige elektronische Schaltungen funktionsm"assig und numerisch zu diskutieren und ihre Genauigkeiten und Grenzen abzusch"atzen. Diese Vorlesung richtet sich an Studenten in der mittleren Ausbildung und soll die Grundlage f"ur die experimentelle T"atigkeit legen, die in der Regel mit der Diplomarbeit ii beginnt. Sie ist grunds"atzlich praktisch orientiert. So werden viele technische Einzelheiten behandelt, oder es wird auf entsprechende Literatur und Tabellen verwiesen. Die Vorlesung legt etwa gleichviel Gewicht auf digitale und analoge Elektronik. Der Aufbau und die Funktionsweise von Computern wird jedoch nicht direkt behandelt (siehe seperate Veranstaltungen). Auf der anderen Seite wird ebenfalls die physikalische Funktionsweise von Halbleiterbauelementen nur sehr vereinfachend diskutiert, wie sie f"ur den Anwender relevant sind. Simulationsprogramme (SPICE) und rechnergest"utzte Entwicklungshilfsmittel (Simulation, Synthese, Layout usw.) werden entsprechend ihrer Bedeutung vorgestellt. Inhaltsverzeichnis 1 Strom, Spannung, Widerstand 1 1.1 Komplexe Widerst"ande, passive Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 Komplexe Spannungen und Str"ome . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.2 Das Ohm'sche Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.3 Reelle Widerst"ande, Induktivit"aten, Kapazit"aten . . . . . . . . . . 4 1.1.4 Bauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Strom- und Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.1 Reale und lineare Strom- und Spannungsquellen . . . . . . . . . . 15 1.2.2 Drehstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.3 Die Kirchhoff'sche Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4 SPICE Simulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.5 Endliche Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.6 Physik des Rauschens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 |
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