Elektronik für Informatiker

Von den Grundlagen bis zur Mikrocontroller-Applikation

Manfred Rost, Sandro Wefel

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2021
• ISBN:
  9783110609240
• Auflage: 2
• Thema: Informatique
• Thema: Architecture des systèmes

Smartphone, Laptop oder PC: Welche physikalischen Gesetze, welche elektronischen Bauelemente und welche Grundschaltungen ermöglichen die komplexen Funktionen solcher Geräte? Aufbauend auf grundlegenden Physikkenntnissen stellen die Autoren wesentliche Sachverhalte der Elektrizitätslehre und Halbleiterphysik dar und führen Schritt für Schritt in die Funktion wichtiger Bauelemente und elektronischer Komponenten ein. Dabei werden analoge und digitale Schaltungen, Wandlerbauelemente und Sensoren besprochen. Am Beispiel des MSP430 führt ein eigenes Kapitel in die Arbeit mit Mikrokontrollern ein. Aufgrund des systematischen Aufbaus eignet sich das Buch für einführende und weiterführende Vorlesungen zur technischen Informatik.

Die 2. Auflage nimmt folgende Themen neu auf:

- Stromversorgung, unterbesonderer Berücksichtigung des Internet der Dinge (IoT),

- Displays (LCD, TFT, OLED, E-Paper),

- Simulation elektronischer Schaltungen (Software dazu),

- neuere Halbleiterspeicher.

Ein umfangreicher Anhang mit Definitionen, hilfreichen Tabellen, einem historischen Rückblick und einer Zusammenstellung englischer Fachbegriffe runden das Buch ab. Zu den zahlreichen Aufgaben sind Lösungen online verfügbar.

1. Einleitung und Überblick

Die Elektronik ist eine technische Disziplin, die sich aus der Physik, speziell aus Elektrostatik und Elektrodynamik, heraus entwickelt hat und die heute unser Leben in fast allen Bereichen tangiert. Als Geburtsstunde der Elektronik kann man die Jahre 1906/07 angeben, in denen Lee de Forest das erste Verstärkerbauelement, die Vakuumtriode, erfand und eine Verstärkerschaltung (Audion) mit dieser Elektronenröhre beschrieb. Zuvor war bereits eine andere Elektronenröhre, die Vakuumdiode (Flemming 1904), entwickelt worden. Elektronenröhren bildeten über mehrere Jahrzehnte im 20. Jahrhundert das Rückgrat der Elektronik und der Elektronikentwicklung. Die Röhren wurden dabei selbst immer weiter verbessert, mit weiteren Elektroden ausgestattet, für höhere Frequenzen oder höhere Leistungen ausgelegt und miniaturisiert.

Mit der Erfindung des Transistors durch Bratten, Bardeen und Shoockley¹ im Jahre 1947 wurde eine Wende in der Elektronikentwicklung eingeleitet. Der Transistor verdrängte die Elektronenröhren zunehmend und die Erfindung integrierter Halbleiterstrukturen durch Kilby² und Noyce beschleunigte diese Entwicklung rasant. Die neuen Möglichkeiten veränderten und erweiterten die gesamte Elektronik und revolutionierten insbesondere die Rechentechnik.

Die heute vorherrschende Festkörperelektronik oder Mikroelektronik fußt in Gestalt der Halbleiterphysik und Halbleitertechnologie auf modernen physikalischen Disziplinen. Eine weitere Basis der Mikroelektronik sind Chemie und Materialwissenschaft, auf die wir in diesem Buch nur am Rande eingehen.

Die Elektronik selbst hat sich im Laufe der Zeit zu einer breit gefächerten technischen Disziplin entwickelt. Zur besseren Übersicht und Einordnung wird das Gesamtgebiet nach ganz verschiedenen Gesichtspunkten, die sich häufig überlappen, gegliedert. Solche Teil- oder Spezialdisziplinen unterscheidet man z.B. nach der Signalart in Analog- und Digitalelektronik, nach Anwendungsbereichen in Medizinelektronik, Unterhaltungselektronik, KFZ-Elektronik u.a., nach weiteren technischen Gesichtspunkten in Optoelektronik, Leistungselektronik, Hochfrequenztechnik usw. Es gibt noch zahlreiche andere Kriterien, die hier nicht aufgelistet werden sollen.

Ein bestimmter Entwicklungsstand der Elektronik war Voraussetzung für die Entwicklung der elektronischen Rechentechnik, die zunächst mit Relais-Rechnern begann. Der erste funktionstüchtige, programmierbare Rechner auf Basis von Relais war der Rechner Z3 von Konrad Zuse³ (1941), in dem alle logischen Verknüpfungen und Zwischenspeicherungen mit 2000 Relais erfolgten.

Nach Relais wurden Elektronenröhren zur Realisierung logischer Verknüpfungen und Zwischenspeicherungen verwendet. Der erste vollständig mit Röhren bestückte Rechner war der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). Er wurde an der University of Pennsylvania entwickelt, 1946 der Öffentlichkeit vorgestellt und arbeitete mit ca. 17500 Röhren.

Relais und Röhren wurden bald durch Halbleiter und integrierte Schaltungen abgelöst. Dennoch waren die frühen Lösungen wegbereitend für alle weiteren Entwicklungen der Rechentechnik [Sjo99].

Die enge Beziehung von Rechentechnik und Informatik zur Elektronik ergibt sich, weil für das elektronische Rechnen elektrische und magnetische Phänomene und elektronische Schaltungen in vielfältiger Weise genutzt werden:

• elektronischen Zuständen bestimmter Komponenten eines technischen Systems (Prozessor, Speicher) wird eine logische oder eine numerische Bedeutung (Zustand, Variable, Konstante) zugewiesen,
• in anderen Teilen des gleichen technischen Systems oder zu einem anderen Zeitpunkt repräsentieren elektrische Zustände logische oder arithmetische Befehle,
• durch Dateneingaben werden solche elektrischen Zustände im System definiert, erzeugt bzw. verändert,
• im Verlaufe der Verarbeitung oder Berechnung modifiziert ein Prozessor die internen elektrischen Zustände nach mathematischen bzw. logischen Regeln selbständig,
• Zwischen- oder Endzustände werden als Ergebnis elektrisch oder magnetisch konserviert (gespeichert) oder in einer für den Anwender lesbaren, nicht-elektrischen Form präsentiert (Bildschirm, Display, Ausdruck).

Um interne elektrische Zustände eines Prozessors zu konservieren, weiter zu leiten oder dem Nutzer wieder zugänglich zu machen, stützen sich Rechentechnik und Informatik wiederum auf bekannte Wirkungen des elektrischen Stromes, auf elektronische Schaltungen und auch auf optische Phänomene. Das betrifft Prozesse wie:

• die elektrische Speicherung von Daten in mikroelektronischen Speicherschaltkreisen (RAM, ROM, EPROM, EEPROM),
• die magnetische Speicherung von Daten oder Programmen auf magnetischen Datenträgern (Magnetkarte oder Festplatte),
• die Speicherung von Daten oder Programmen unter Nutzung optischer Phänomene (CD, DVD, Blu-ray),
• die Übertragung von Daten (elektrischer Strom oder elektromagnetische Wellen als Informationsträger),
• die Visualisierung errechneter bzw. gespeicherter Daten oder innerer Zustände des Rechners mittels Leuchtdioden (LED) oder auf Displays,
• die mechanische Ausgabe von Daten in Form akustischer oder haptischer Signale
• sowie die Ausgabe von Ergebnissen auf Druckern oder Plottern unter Nutzung verschiedener Technologien.

Zum Verständnis von Gesetzmäßigkeiten, nach denen sich interne, elektronische Zustände eines Prozessors setzen, verändern oder konservieren lassen, ist die Kenntnis von Grundlagen der Elektronik notwendig oder zumindest sehr hilfreich. Ebenso erfordert das Verständnis der Funktion der vielfältigen, in der Rechentechnik und Informatik benutzen Ein- und Ausgabegeräte, der Übertragungsverfahren und anderer Hilfsgeräte Kenntnisse auf dem Gebiet der Elektronik. Andererseits bestimmen physikalische und elektronische Gesetzmäßigkeiten Grenzen, in denen Prozessoren und andere Komponenten der Rechentechnik überhaupt arbeiten können. Genannt seien hier Zusammenhänge zwischen Strukturgrößen, maximaler Taktfrequenz und Betriebsspannung sowie Wärmeerzeugung und -abfuhr im Prozessor.

Kurzübersicht zum Stoff des Buches:

Für den Informatiker ist der Bereich der Digitalelektronik von besonderem Interesse. Analoge Elektronikkomponenten spielen bei Datenwandlern, im Zusammenhang mit Fragen der Sensorik, der Datenübertragung oder der Stromversorgung eine Rolle. In beide Bereiche, Analog- und Digitalelektronik, werden wir uns, beginnend mit den hierfür notwendigen physikalischen Grundlagen, einarbeiten.

Da alle Gebiete der Elektronik auf grundlegenden Erkenntnissen der Physik fußen, werden in Kapitel 2 von der Physik, speziell der Elektrizitätslehre, ausgehend zunächst die Regeln für den Gleich- und Wechselstromkreis entwickelt und passive Bauelemente und elektrische Quellen betrachtet. Die Behandlung linearer Netze und eine Einführung in Vorgänge auf Leitungen sind Gegenstand von Kapitel 3.

In Kapitel 4 erfolgt eine kurze Einführung in die Halbleitertechnik. Wir erläutern hier die Leitungsvorgänge im Halbleiter und beschreiben darüber hinaus Aufbau und Funktion wesentlicher Halbleiterbauelemente.

Danach wenden wir uns in Kapitel 5 Signalen und deren Darstellung zu. Wir erläutern Beziehungen zu verwandten Sachverhalten und grenzen die Begriffe Signal, Information und System gegeneinander ab.

In Kapitel 6 betrachten wir die Verarbeitung analoger Signale. Wir besprechen einfache passive Filterschaltungen und analoge Grundschaltungen mit aktiven Bauelementen. Operationsverstärker werden ihrer Bedeutung entsprechend ausführlicher behandelt.

Der Digitaltechnik haben wir zwei Kapitel gewidmet. Zuerst werden in Kapitel 7 wichtige Grundlagen der Digitaltechnik dargestellt und die Realisierung von Grundgattern beschrieben. Kombinatorische Schaltungen, sequentielle Schaltungen und Speicherschaltungen sind Gegenstand von Kapitel 8.

Häufig besteht die Aufgabe, nichtelektrische Größen mit elektronischen Systemen zu erfassen. Dies ist die Aufgabe von Sensoren, die wir in Kapitel 9 betrachten.

Das Kapitel 10 über die Wandlung elektrischer Signale in für den Menschen wahrnehmbare Signale haben wir neu aufgenommen.

Zur Überführung von analogen Signalen in digitale Signale bzw. umgekehrt nutzt man so genannte Analog-Digital-Wandler bzw. Digital-Analog-Wandler. Grundstrukturen solcher Wandler werden in Kapitel 11 behandelt. Diese Datenwandler sind Systeme mit komplexer Funktionalität, die sich aus analogen und digitalen Grundschaltungen zusammensetzen lassen (Synthese). Umgekehrt wird in diesem Zusammenhang auch dargestellt, wie sich eine komplexe Funktionalität auf Grundfunktionen reduzieren und dann leichter erklären lässt (Analyse).

Der Mikrocontroller wird stellvertretend für den Aufbau vieler Komponenten eines Rechners betrachtet. Wir erläutern zuerst allgemein Aufbau und Arbeitsweise eines Controllers und das Zusammenspiel mit seiner Peripherie. Anhand ausgewählter Mixed-Signal-Mikrocontroller erörtern wir einige Anwendungsbeispiele, speziell im Zusammenhang mit dem Messen nichtelektrischer Größen (Kapitel 12).

Schließlich betrachten wir in dem neu aufgenommenen Kapitel 13 einige grundlegende Fragen zur Simulation elektronischer Schaltungen und einige Beispiele dazu.

Der behandelte Stoff wird durch Fragen und Aufgaben vertieft und gefestigt, die jeweils am Ende eines Kapitels eingefügt sind. Die Lösungen zu den Fragen und Aufgaben aller Kapitel findet man auf der Webseite zum Buch (https://efi.informatik.uni-halle.de).

In den einzelnen Kapiteln wird der Stoff jeweils mit ansteigendem Schwierigkeitsgrad präsentiert. So kann der Leser sich auch schon mit einem folgenden Kapitel beschäftigen, wenn das aktuelle Kapitel noch nicht abschließend bearbeitet ist.

Die Autoren setzen physikalische und mathematische Grundlagen in dem Umfang voraus, wie sie an Gymnasien gelehrt werden.

Möglicherweise ist beim Leser der Schulstoff teilweise in Vergessenheit geraten. Wir haben deshalb in einem Anhang A einige wichtige Sachverhalte aus Physik und Mathematik kurzgefasst zum Nachschlagen bereitgestellt. Dies kann und soll keineswegs ein einschlägiges Lehrbuch ersetzen.

Um den Text flüssig lesbar zu halten, wurden auch einige Tabellen zu technischen und physikalischen Fragen, eine Liste Boolescher Funktionen sowie einige andere Informationen in den Anhang verlagert.

2. Physika...

Inhaltsverzeichnis

• Title Page
• Copyright
• Contents
• Geleitwort
• 1. Einleitung und Überblick
• 2. Physikalische Grundlagen der Elektronik
• 3 . Grundlagen elektrischer Netzwerke
• 4 . Halbleiter und Halbleiterbauelemente
• 5 . Signal und Information
• 6 . Analogschaltungen
• 7 . Digitale Schaltungstechnik
• 8 . Kombinatorische und sequentielle Digitalschaltungen
• 9 . Sensorik
• 10 . Anzeigen für elektrische Signale
• 11 . Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler
• 12 . Mikrocontroller und SoC
• 13 . Simulation elektronischer Schaltungen
• A. Anhang
• Englische Fachbegriffe
• Stichwortverzeichnis