Halbleiter-Schaltungstechnik:
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| Language: | German |
| Published: |
Heidelberg [u.a.]
Springer
2010
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| Edition: | 13., neu bearb. Aufl. |
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| Item Description: | Literaturverzeichnis Seite 1669 - 1671 |
| Physical Description: | XXXVI, 1711 S. zahlr. graph. Darst. 1 CD-ROM (12 cm) |
| ISBN: | 9783642016219 3642016219 |
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Titel: Halbleiter-Schaltungstechnik
Autor: Tietze, Ulrich
Jahr: 2010
Inhaltsverzeichnis
Teil I. Grundlagen
1. Diode 3
1.1 Verhalten einer Diode 4
1.1.1 Kennlinie 4
1.1.2 Beschreibung durch Gleichungen 5
1.1.3 Schaltverhalten 7
1.1.3.1 Schaltverhalten bei ohmscher Last 8
1.1.3.2 Schaltverhalten bei ohmsch-induktiver Last 9
1.1.4 Kleinsignalverhalten 10
1.1.5 Grenzdaten und Sperrströme 10
1.1.5.1 Grenzspannungen 10
1.1.5.2 Grenzströme 11
1.1.5.3 Sperrstrom 11
1.1.5.4 Maximale Verlustleistung 11
1.1.6 Thermisches Verhalten 12
1.1.7 Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter 12
1.2 Aufbau einer Diode 13
1.2.1 Einzeldiode 13
1.2.1.1 Innerer Aufbau 13
1.2.1.2 Gehäuse 14
1.2.2 Integrierte Diode 14
1.2.2.1 Innerer Aufbau 15
1.2.2.2 Substrat-Diode 15
1.2.2.3 Unterschiede zwischen integrierten pn- und
Schottky-Dioden 15
1.3 Modell für eine Diode 15
1.3.1 Statisches Verhalten 15
1.3.1.1 Bereich mittlerer Durchlassströme 16
1.3.1.2 Weitere Effekte 16
1.3.1.3 Bahnwiderstand 18
1.3.2 Dynamisches Verhalten 18
1.3.2.1 Sperrschichtkapazität 19
1.3.2.2 Diffusionskapazität 19
1.3.3 Vollständiges Modell einer Diode 20
1.3.4 Kleinsignalmodell 21
1.3.4.1 Statisches Kleinsignalmodell 21
1.3.4.2 Dynamisches Kleinsignalmodell 23
1.4 Spezielle Dioden und ihre Anwendung 24
1.4.1 Z-Diode 24
1.4.1.1 Kennlinie im Durchbruchbereich 24
1.4.1.2 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode 25
1.4.1.3 Spannungsbegrenzung mit Z-Dioden 26
1.4.2 pin-Diode 27
1.4.3 Kapazitätsdiode 28
1.4.4 Brückengleichrichter 30
1.4.5 Mischer 31
2. Bipolartransistor 35
2.1 Verhalten eines Bipolartransistors 35
2.1.1 Kennlinien 36
2.1.1.1 Ausgangskennlinienfeld 36
2.1.1.2 Übertragungskennlinienfeld 37
2.1.1.3 Eingangskennlinienfeld 37
2.1.1.4 Stromverstärkung 37
2.1.2 Beschreibung durch Gleichungen 37
2.1.2.1 Early-Effekt 38
2.1.2.2 Basisstrom und Stromverstärkung 38
2.1.2.3 Großsignalgleichungen 39
2.1.3 Verlauf der Stromverstärkung 39
2.1.3.1 Gummel-Plot 39
2.1.3.2 Darstellung des Verlaufs 40
2.1.3.3 Bestimmung der Werte 41
2.1.4 Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten 41
2.1.4.1 Bestimmung des Arbeitspunkts 42
2.1.4.2 Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter . 43
2.1.4.3 Kleinsignalersatzschaltbild 45
2.1.4.4 Vierpol-Matrizen 46
2.1.4.5 Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung 46
2.1.5 Grenzdaten und Sperrströme 47
2.1.5.1 Durchbruchsspannungen 47
2.1.5.2 Durchbruch 2. Art 49
2.1.5.3 Grenzströme 49
2.1.5.4 Sperrströme 49
2.1.5.5 Maximale Verlustleistung 49
2.1.5.6 Zulässiger Betriebsbereich 50
2.1.6 Thermisches Verhalten 51
2.1.6.1 Thermisches Ersatzschaltbild 52
2.1.6.2 Thermisches Verhalten bei statischem Betrieb 53
2.1.6.3 Thermisches Verhalten bei Pulsbetrieb 54
2.1.7 Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter 55
2.2 Aufbau eines Bipolartransistors 57
2.2.1 Einzeltransistoren 57
2.2.1.1 Innerer Aufbau 57
2.2.1.2 Gehäuse 57
2.2.1.3 Komplementäre Transistoren 59
2.2.2 Integrierte Transistoren 59
2.2.2.1 Innerer Aufbau 59
2.3 Modelle für den Bipolartransistor 60
2.3.1 Statisches Verhalten 60
2.3.1.1 Das Ebers-Moll-Modell 60
2.3.1.2 Das Transportmodell 63
2.3.1.3 Weitere Effekte 65
2.3.1.4 Stromverstärkung bei Normalbetrieb 68
2.3.1.5 Substrat-Dioden 69
2.3.1.6 Bahn widerstände 69
2.3.2 Dynamisches Verhalten 71
2.3.2.1 Sperrschichtkapazitäten 71
2.3.2.2 Diffusionskapazitäten 73
2.3.2.3 Gummel-Poon-Modell 74
2.3.3 Kleinsignalmodell 78
2.3.3.1 Statisches Kleinsignalmodell 78
2.3.3.2 Dynamisches Kleinsignalmodell 80
2.3.3.3 Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb 81
2.3.3.4 Zusammenfassung der Kleinsignalparameter 85
2.3.4 Rauschen 85
2.3.4.1 Rauschdichten 85
2.3.4.2 Rauschquellen eines Bipolartransistors 88
2.3.4.3 Äquivalente Rauschquellen 88
2.3.4.4 Ersatzrauschquelle und Rauschzahl 91
2.3.4.5 Rauschzahl eines Bipolartransistors 92
2.3.4.6 Bestimmung des Basisbahnwiderstands 101
2.4 Grundschaltungen 101
2.4.1 Emitterschaltung 102
2.4.1.1 Übertragungskennlinie der Emitterschaltung 102
2.4.1.2 Kleinsignalverhalten der Emitterschaltung 104
2.4.1.3 Nichtlinearität 107
2.4.1.4 Temperaturabhängigkeit 107
2.4.1.5 Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung 108
2.4.1.6 Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung 114
2.4.1.7 Arbeitspunkteinstellung 121
2.4.1.8 Frequenzgang und obere Grenzfrequenz 129
2.4.1.9 Zusammenfassung 136
2.4.2 Kollektorschaltung 138
2.4.2.1 Übertragungskennlinie der Kollektorschaltung 138
2.4.2.2 Kleinsignalverhalten der Kollektorschaltung 140
2.4.2.3 Nichtlinearität 143
2.4.2.4 Temperaturabhängigkeit 144
2.4.2.5 Arbeitspunkteinstellung 144
2.4.2.6 Frequenzgang und obere Grenzfrequenz 147
2.4.2.7 Impedanztransformation mit der Kollektorschaltung . 153
2.4.3 Basisschaltung 155
2.4.3.1 Übertragungskennlinie der Basisschaltung 155
2.4.3.2 Kleinsignalverhalten der Basisschaltung 157
2.4.3.3 Nichtlinearität 160
2.4.3.4 Temperaturabhängigkeit 160
2.4.3.5 Arbeitspunkteinstellung 161
2.4.3.6 Frequenzgang und obere Grenzfrequenz 163
2.4.4 Darlington-Schaltung 166
2.4.4.1 Kennlinien eines Darlington-Transistors 168
2.4.4.2 Beschreibung durch Gleichungen 169
2.4.4.3 Verlauf der Stromverstärkung 170
2.4.4.4 Kleinsignalverhalten 172
2.4.4.5 Schaltverhalten 174
3. Feldeffekttransistor 177
3.1 Verhalten eines Feldeffekttransistors 178
3.1.1 Kennlinien 180
3.1.1.1 Ausgangskennlinienfeld 180
3.1.1.2 Abschnürbereich 180
3.1.1.3 Übertragungskennlinienfeld 182
3.1.1.4 Eingangskennlinien 182
3.1.2 Beschreibung durch Gleichungen 183
3.1.2.1 Verlauf der Kennlinien 184
3.1.2.2 Steilheitskoeffizient 185
3.1.2.3 Alternative Darstellung 186
3.1.2.4 Kanallängenmodulation 186
3.1.3 Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand 187
3.1.4 Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten 189
3.1.4.1 Arbeitspunkt 189
3.1.4.2 Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter . 190
3.1.4.3 Kleinsignalersatzschaltbild 192
3.1.4.4 Vierpol-Matrizen 192
3.1.4.5 Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung 192
3.1.5 Grenzdaten und Sperrströme 193
3.1.5.1 Durchbruchsspannungen 193
3.1.5.2 Grenzströme 195
3.1.5.3 Sperrströme 195
3.1.5.4 Maximale Verlustleistung 196
3.1.5.5 Zulässiger Betriebsbereich 197
3.1.6 Thermisches Verhalten 197
3.1.7 Temperaturabhängigkeit der Fet-Parameter 197
3.1.7.1 Mosfet 197
3.1.7.2 Sperrschicht-Fet 199
3.2 Aufbau eines Feldeffekttransistors 199
3.2.1 Integrierte Mosfets 199
3.2.1.1 Aufbau 199
3.2.1.2 CMOS 200
3.2.1.3 Bulk-Dioden 200
3.2.1.4 Latch-up 201
3.2.1.5 Mosfets für höhere Spannungen 201
3.2.2 Einzel-Mosfets 202
3.2.2.1 Aufbau 202
3.2.2.2 Parasitäre Elemente 203
3.2.2.3 Kennlinien von vertikalen Leistungs-Mosfets 204
3.2.3 Sperrschicht-Fets 204
3.2.4 Gehäuse 205
3.3 Modelle für den Feldeffekttransistor 205
3.3.1 Statisches Verhalten 205
3.3.1.1 Level-1-Mosfet-Modell 206
3.3.1.2 Bahnwiderstände 211
3.3.1.3 Vertikale Leistungs-Mosfets 211
3.3.1.4 Sperrschicht-Fets 213
3.3.2 Dynamisches Verhalten 214
3.3.2.1 Kanalkapazitäten 214
3.3.2.2 Überlappungskapazitäten 216
3.3.2.3 Sperrschichtkapazitäten 217
3.3.2.4 Level-1-Mosfet-Modell 218
3.3.2.5 Einzel-Mosfets 219
3.3.2.6 Sperrschicht-Fet-Modell 221
3.3.3 Kleinsignalmodell 221
3.3.3.1 Statisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich . 223
3.3.3.2 Dynamisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich 225
3.3.3.3 Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb 227
3.3.3.4 Zusammenfassung der Kleinsignalparameter 229
3.3.4 Rauschen 230
3.3.4.1 Rauschquellen eines Feldeffekttransistors 230
3.3.4.2 Äquivalente Rauschquellen 232
3.3.4.3 Ersatzrauschquelle und Rauschzahl 234
3.3.4.4 Rauschzahl eines Fets 235
3.3.4.5 Vergleich der Rauschzahlen von Fet und
Bipolartransistor 238
3.4 Grundschaltungen 238
3.4.1 Sourceschaltung 239
3.4.1.1 Übertragungskennlinie der Sourceschaltung 240
3.4.1.2 Kleinsignalverhalten der Sourceschaltung 241
3.4.1.3 Nichtlinearität 242
3.4.1.4 Temperaturabhängigkeit 243
3.4.1.5 Sourceschaltung mit Stromgegenkopplung 243
3.4.1.6 Sourceschaltung mit Spannungsgegenkopplung 248
3.4.1.7 Arbeitspunkteinstellung 252
3.4.1.8 Frequenzgang und Grenzfrequenz 254
3.4.1.9 Zusammenfassung 260
3.4.2 Drainschaltung 262
3.4.2.1 Übertragungskennlinie der Drainschaltung 262
3.4.2.2 Kleinsignalverhalten der Drainschaltung 263
3.4.2.3 Nichtlinearität 265
3.4.2.4 Temperaturabhängigkeit 265
3.4.2.5 Arbeitspunkteinstellung 266
3.4.2.6 Frequenzgang und Grenzfrequenz 266
3.4.3 Gateschaltung 271
3.4.3.1 Übertragungskennlinie der Gateschaltung 271
3.4.3.2 Kleinsignalverhalten der Gateschaltung 273
3.4.3.3 Nichtlinearität 275
3.4.3.4 Temperaturabhängigkeit 275
3.4.3.5 Arbeitspunkteinstellung 275
3.4.3.6 Frequenzgang und Grenzfrequenz 276
4. Verstärker 279
4.1 Schaltungen 281
4.1.1 Grundlagen 281
4.1.1.1 Kennlinien der Transistoren 281
4.1.1.2 Skalierung 282
4.1.1.3 Normierung 282
4.1.1.4 Komplementäre Transistoren 283
4.1.1.5 Auswirkung fertigungsbedingter Toleranzen 284
4.1.1.6 Dioden 285
4.1.2 Stromquellen und Stromspiegel 287
4.1.2.1 Prinzip einer Stromquelle 287
4.1.2.2 Einfache Stromquellen für diskrete Schaltungen 290
4.1.2.3 Einfacher Stromspiegel 292
4.1.2.4 Stromspiegel mit Kaskode 304
4.1.2.5 Kaskode-Stromspiegel 308
4.1.2.6 Wilson-Stromspiegel 314
4.1.2.7 Dynamisches Verhalten 316
4.1.2.8 Weitere Stromspiegel und Stromquellen 317
4.1.2.9 Stromspiegel für diskrete Schaltungen 324
4.1.3 Kaskodeschaltung 325
4.1.3.1 Kleinsignalverhalten der Kaskodeschaltung 326
4.1.3.2 Frequenzgang und Grenzfrequenz der
Kaskodeschaltung 330
4.1.4 Differenzverstärker 339
4.1.4.1 Grundschaltung 339
4.1.4.2 Gleichtakt- und Differenzverstärkung 340
4.1.4.3 Eigenschaften des Differenzverstärkers 342
4.1.4.4 Unsymmetrischer Betrieb 342
4.1.4.5 Übertragungskennlinien des npn-Differenzverstärkers 343
4.1.4.6 Übertragungskennlinien des n-Kanal-Differenzver-
stärkers 349
4.1.4.7 Differenzverstärker mit aktiver Last 353
4.1.4.8 Offsetspannung eines Differenzverstärkers 355
4.1.4.9 Kleinsignalverhalten des Differenzverstärkers 357
4.1.4.10 Nichtlinearität 372
4.1.4.11 Arbeitspunkteinstellung 375
4.1.4.12 Frequenzgänge und Grenzfrequenzen des
Differenzverstärkers 383
4.1.4.13 Zusammenfassung 398
4.1.5 Impedanzwandler 399
4.1.5.1 Einstufige Impedanzwandler 399
4.1.5.2 Mehrstufige Impedanzwandler 400
4.1.5.3 Komplementäre Impedanzwandler 404
4.1.6 Schaltungen zur Arbeitspunkteinstellung 410
4.1.6.1 UBE-Referenzstromquelle 410
4.1.6.2 PTAT-Referenzstromquelle 414
4.1.6.3 Temperaturunabhängige Referenzstromquelle 420
4.1.6.4 Referenzstromquellen in MOS-Schaltungen 421
4.1.6.5 Arbeitspunkteinstellung in integrierten
Verstärkerschaltungen 422
4.2 Eigenschaften und Kenngrößen 424
4.2.1 Kennlinien 424
4.2.2 Kleinsignal-Kenngrößen 427
4.2.2.1 Arbeitspunkt 427
4.2.2.2 Kleinsignalgrößen 427
4.2.2.3 Linearisierung 428
4.2.2.4 Kleinsignal-Kenngrößen 428
4.2.2.5 Kleinsignalersatzschaltbild eines Verstärkers 429
4.2.2.6 Verstärker mit Rückwirkung 431
4.2.2.7 Berechnung mit Hilfe des Kleinsignalersatzschalt¬
bilds der Schaltung 434
4.2.2.8 Reihenschaltung von Verstärkern 436
4.2.3 Nichtlineare Kenngrößen 441
4.2.3.1 Reihenentwicklung der Kennlinie im Arbeitspunkt. 441
4.2.3.2 Gültigkeitsbereich der Reihenentwicklung 444
4.2.3.3 Ausgangssignal bei sinusförmiger Ansteuerung 444
4.2.3.4 Klirrfaktor 448
4.2.3.5 Kompressionspunkt 450
4.2.3.6 Intermodulation und Intercept-Punkte 451
4.2.3.7 Reihenschaltung von Verstärkern 456
4.2.3.8 Betriebsfälle bei der Ermittlung der nichtlinearen
Kenngrößen 459
4.2.3.9 Messung der nichtlinearen Kenngrößen 460
4.2.4 Rauschen 462
4.2.4.1 Rauschquellen und Rauschdichten eines Verstärkers. 462
4.2.4.2 Ersatzrauschquelle und spektrale Rauschzahl 463
4.2.4.3 Optimale Rauschzahl und optimaler Quellenwiderstand 466
4.2.4.4 Rauschzahl einer Reihenschaltung von Verstärkern. 469
4.2.4.5 Signal-Rausch-Abstand und mittlere Rauschzahl 473
4.2.4.6 Optimierung der Rauschzahl 482
4.2.4.7 Rauschanpassung 490
4.2.4.8 Äquivalente Rauschquellen der Grundschaltungen . 491
5. Operationsverstärker 509
5.1 Übersicht 509
5.1.1 Operationsverstärker-Typen 511
5.1.2 Prinzip der Gegenkopplung 513
5.1.2.1 Der nichtinvertierende Verstärker 514
5.1.2.2 Der invertierende Verstärker 516
5.2 Der normale Operationsverstärker (VV-OPV) 518
5.2.1 Das Prinzip 519
5.2.2 Universalverstärker 521
5.2.3 Betriebsspannungen 523
5.2.4 Single-Supply-Verstärker 525
5.2.4.1 Phasenumkehr 526
5.2.5 Rail-to-Rail-Verstärker 527
5.2.6 Breitband-Operationsverstärker 531
5.2.7 Frequenzgang-Korrektur 536
5.2.7.1 Grundlagen 536
5.2.7.2 Universelle Frequenzgang-Korrektur 539
5.2.7.3 Pole-Splitting 540
5.2.7.4 Angepasste Frequenzgangkorrektur 541
5.2.7.5 Slew-Rate 542
5.2.7.6 Kapazitive Last 545
5.2.7.7 Interne Lastkorrektur 548
5.2.7.8 Zweipolige Frequenzgangkorrektur 549
5.2.8 Parameter von Operationsverstärkern 550
5.2.8.1 Differenz- und Gleichtaktverstärkung 551
5.2.8.2 Offsetspannung 554
5.2.8.3 Eingangsströme 556
5.2.8.4 Eingangswiderstände 558
5.2.8.5 Ausgangswiderstand 559
5.2.8.6 Beispiel für statische Fehler 560
5.2.8.7 Bandbreite 562
5.2.8.8 Rauschen 564
5.3 Der Transkonduktanz-Verstärker (VC-OPV) 568
5.3.1 Innerer Aufbau 568
5.3.2 Typische Anwendung 571
5.4 Der Transimpedanzverstärker (CV-OPV) 572
5.4.1 Innerer Aufbau 572
5.4.2 Frequenzverhalten 575
5.4.3 Typische Anwendungen 579
5.5 Der Strom-Verstärker (CC-OPV) 580
5.5.1 Innerer Aufbau 580
5.5.2 Typische Anwendung 582
5.5.2.1 Anwendungen mit Stromgegenkopplung 582
5.5.2.2 Anwendungen mit Spannungsgegenkopplung 586
5.6 Vergleich 589
5.6.1 Praktischer Einsatz 594
5.6.1.1 Abblocken der Betriebsspannungen 595
5.6.1.2 Schwingneigung 595
5.6.1.3 Dämpfung 595
5.6.1.4 Gegenkopplungswiderstände 596
5.6.1.5 Verlustleistung 596
5.6.1.6 Kühlung 596
5.6.1.7 Übersteuerung 596
5.6.1.8 Eingangsschutz 597
5.6.2 Typen 597
5.6.2.1 Universaltypen 598
5.6.2.2 Präzisionstypen 598
5.6.2.3 Rauscharme Typen 598
5.6.2.4 Rail-to-Rail-Output Verstärker 599
5.6.2.5 Rail-to-Rail-IO Verstärker 599
5.6.2.6 Hohe Bandbreite 599
5.6.2.7 Differentieller Ausgang 600
5.6.2.8 Hohe Ausgangsspannung 600
5.6.2.9 Hoher Ausgangsstrom 600
5.6.2.10 CV-Operationsverstärker 600
5.6.2.11 VC-Operationsverstärker 600
5.6.2.12 CC-Operationsverstärker 601
5.6.2.13 Klassifizierung 601
6. Digitaltechnik Grundlagen 613
6.1 Die logischen Grundfunktionen 613
6.2 Aufstellung logischer Funktionen 615
6.2.1 Das Karnaugh-Diagramm 617
6.3 Abgeleitete Grundfunktionen 620
6.4 Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen 621
6.4.1 Statische und dynamische Daten 621
6.4.2 Transistor-Transistor-Logik (TTL) 623
6.4.2.1 Open-Collector-Ausgänge 624
6.4.2.2 Tristate-Ausgänge 625
6.4.3 Komplementäre MOS-Logik (CMOS) 626
6.4.3.1 CMOS-Inverter 626
6.4.3.2 Offene Eingänge 627
6.4.3.3 Statische Ladungen 628
6.4.3.4 CMOS-Gatter 629
6.4.3.5 Transmission-Gate 629
6.4.4 Emittergekoppelte Logik (ECL) 631
6.4.4.1 PECL-Gatter 631
6.4.4.2 NECL-Gatter 632
6.4.4.3 Wired-OR-Verknüpfung 633
6.4.4.4 Schaltzeiten 633
6.4.4.5 Verlustleistung 634
6.4.5 Current Mode Logik (CML) 634
6.4.5.1 CML-Gatter 635
6.4.5.2 CML-Flip-Flop 637
6.4.6 Low Voltage Differential Signaling (LVDS) 637
6.4.7 Vergleich der Logikfamilien 639
6.5 Verbindungsleitungen 640
6.6 Hazards 642
6.7 Kopplung von Logikfamilien 643
6.8 Betriebsspannungen 644
7. Schaltnetze (Kombinatorische Logik) 647
7.1 Multiplexer 648
7.1.1 1 -aus-n-Decoder 648
7.1.2 Demultiplexer 649
7.1.3 Multiplexer 650
7.2 Schiebelogik (Barrel Shifter) 652
7.3 Prioritätsdecoder 653
7.4 Kombinatorischer Zähler 654
7.5 Paritätsgenerator 654
7.6 Komparatoren 655
7.7 Zahlendarstellung 657
7.7.1 Positive ganze Zahlen im Dualcode 657
7.7.1.1 Oktalcode 657
7.7.1.2 Hexadezimalcode 657
7.7.2 BCD-Code 658
7.7.3 Ganze Dualzahlen mit beliebigem Vorzeichen 658
7.7.3.1 Darstellung nach Betrag und Vorzeichen 658
7.7.3.2 Darstellung im Zweierkomplement (Two's
Complement) 659
7.7.3.3 Vorzeichenergänzung (Sign Extension) 660
7.7.3.4 Offset-Dual-Darstellung (Offset Binary) 660
7.7.4 Festkomma-Dualzahlen 661
7.7.5 Gleitkomma-Dualzahlen 661
7.8 Addierer 664
7.8.1 Halbaddierer 664
7.8.2 Volladdierer 665
7.8.3 Parallele Übertragslogik 665
7.8.4 Subtraktion 667
7.8.5 Zweierkomplement-Überlauf 668
7.8.6 Addition und Subtraktion von Gleitkomma-Zahlen 669
7.9 Multiplizierer 669
7.9.1 Multiplikation von Festkomma-Zahlen 669
7.9.2 Multiplikation von Gleitkomma-Zahlen 671
8. Schaltwerke (Sequentielle Logik) 673
8.1 Flip-Flops 673
8.1.1 Transparente Flip-Flops 674
8.1.1.1 Flip-Flop Grundschaltung 674
8.1.1.2 Taktzustandgesteuerte RS-Flip-Flops 675
8.1.1.3 Taktzustandgesteuerte D-Flip-Flops 675
8.1.2 Flip-Flops mit Zwischenspeicherung 676
8.1.2.1 JK Master-Slave Flip-Flops 677
8.1.2.2 D Master-Slave Flip-Flops 678
8.1.3 Zeitverhalten von Flip-Flops 679
8.1.3.1 Vergleich JK- und D-Flip-Flops 679
8.1.3.2 Metastabilität 680
8.1.4 Flip-Flops für Zähler 682
8.2 Dualzähler 684
8.2.1 Asynchroner Dualzähler 685
8.2.2 Synchrone Dualzähler 686
8.2.3 Vorwärts-Rückwärts-Zähler 688
8.2.3.1 Zähler mit umschaltbarer Zählrichtung 688
8.2.3.2 Zähler mit Vorwärts- und Rückwärts-Eingängen 689
8.3 Synchrone BCD-Zähler 689
8.4 Vorwahlzähler 690
8.5 Schieberegister 692
8.5.1 Grundschaltung 692
8.5.2 Schieberegister mit Paralleleingabe 692
8.5.3 Erzeugung von Pseudozufallsfolgen 694
8.6 Aufbereitung asynchroner Signale 696
8.6.1 Entprellung mechanischer Kontakte 696
8.6.2 Flankengetriggertes RS-Flip-Flop 697
8.6.3 Synchronisation von asynchronen Daten 698
8.6.4 Synchroner Zeitschalter 698
8.6.5 Synchroner Änderungsdetektor 700
8.6.6 Synchroner Taktschalter 700
8.7 Systematischer Entwurf von Schaltwerken 701
8.7.1 Zustandsdiagramm 701
8.7.2 Entwurfsbeispiel für einen Dualzähler 702
8.7.3 Entwurfsbeispiel für einen umschaltbaren Zähler 704
9. Halbleiterspeicher 707
9.1 Programmierbare Logik 707
9.1.1 Programmierbare Logische Bauelemente (PLDs) 707
9.1.1.1 Typenübersicht 710
9.1.2 Anwender-programmierbare Gate-Arrays 712
9.1.2.1 Typenübersicht 713
9.1.3 Computer-gestützter PLD-Entwurf 714
9.2 Datenspeicher 716
9.2.1 Statische RAMs 718
9.2.1.1 Zeitbedingungen 719
9.2.1.2 Beispiele für SRAMs 720
9.2.2 Dynamische RAMs 721
9.2.3 Flash Speicher 726
9.3 Fehler-Erkennung und -Korrektur 728
9.3.1 Paritätsbit 729
9.3.2 Hamming-Code 730
9.4 First-In-First-Out Memories (FIFO) 732
9.4.1 Prinzip 732
9.4.2 Standart FIFOs 733
9.4.3 FIFO-Realisierung mit Standard-RAMs 734
Teil II. Anwendungen
10. Analogrechenschaltungen 739
10.1 Addierer 739
10.2 Subtrahierer 740
10.2.1 Rückführung auf die Addition 740
10.2.2 Subtrahierer mit einem Operationsverstärker 741
10.3 Bipolares Koeffizientenglied 743
10.4 Integratoren 744
10.4.1 Invertierender Integrator 744
10.4.2 Anfangsbedingung 747
10.4.3 Summationsintegrator 748
10.4.4 Nicht invertierender Integrator 748
10.4.5 Integrator für hohe Frequenzen 749
10.5 Differentiatoren 751
10.5.1 Prinzipschaltung 751
10.5.2 Praktische Realisierung 751
10.5.3 Differentiator mit hohem Eingangswiderstand 752
10.6 Lösung von Differentialgleichungen 753
10.7 Funktionsnetzwerke 755
10.7.1 Logarithmus 755
10.7.2 Exponentialfunktion 758
10.7.3 Bildung von Potenzfunktionen über Logarithmen 760
10.8 Analog-Multiplizierer 760
10.8.1 Multiplizierer mit logarithmierenden Funktionsgeneratoren . 760
10.8.2 Steilheitsmultiplizierer 761
11. Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter 767
11.1 Spannungsgesteuerte Spannungsquellen 767
11.2 Stromgesteuerte Spannungsquellen 769
11.3 Spannungsgesteuerte Stromquellen 770
11.3.1 Stromquellen für potentialfreie Verbraucher 770
11.3.2 Stromquellen für geerdete Verbraucher 772
11.3.3 Transistor-Präzisionsstromquellen 773
11.3.3.1 Transistor-Stromquellen für bipolare Ausgangsströme 775
11.3.4 Schwimmende Stromquellen 778
11.4 Stromgesteuerte Stromquellen 779
11.5 Der NIC (Negative Impedance Converter) 779
11.6 Der Gyrator 782
11.6.1 Transformation von Zweipolen 783
11.6.2 Transformation von Vierpolen 784
11.7 Der Zirkulator 785
12. Aktive Filter 787
12.1 Theoretische Grundlagen von Tiefpassfiltern 787
12.1.1 Butterworth-Tiefpässe 792
12.1.2 Tschebyscheff-Tiefpässe 794
12.1.3 Bessel-Tiefpässe 797
12.1.4 Zusammenfassung der Theorie 800
12.2 Tiefpass-Hochpass-Transformation 808
12.3 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 1. Ordnung 808
12.4 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 2. Ordnung 810
12.4.1 LRC-Filter 810
12.4.2 Filter mit Mehrfachgegenkopplung 811
12.4.3 Filter mit Einfachmitkopplung 812
12.5 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern höherer Ordnung 814
12.6 Tiefpass-Bandpass-Transformation 816
12.6.1 Bandpassfilter 2. Ordnung 817
12.6.2 Bandpassfilter 4. Ordnung 818
12.7 Realisierung von Bandpassfiltern 2. Ordnung 820
12.7.1 LRC-Filter 821
12.7.2 Bandpass mit Mehrfachgegenkopplung 822
12.7.3 Bandpass mit Einfachmitkopplung 823
12.8 Tiefpass-Bandsperren-Transformation 824
12.9 Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung 825
12.9.1 LRC-Sperrfilter 825
12.9.2 Aktive Doppel-T-Bandsperre 826
12.9.3 Aktive Wien-Robinson-Bandsperre 826
12.10 Allpässe 827
12.10.1 Grundlagen 827
12.10.2 Realisierung von Allpässen 1. Ordnung 830
12.10.3 Realisierung von Allpässen 2. Ordnung 830
12.11 Integratorfilter 832
12.11.1 Grundschaltung 832
12.11.2 Integratorfilter für hohe Frequenzen 833
12.11.3 Integratorfilter mit zusätzlichem Hochpass-Ausgang 833
12.11.4 Integratorfilter mit zusätzlichem Bandsperren-Ausgang 834
12.11.5 Elektronische Steuerung der Filterparameter 835
12.11.6 Filter mit einstellbaren Koeffizienten 838
12.12 Switched-Capacitor-Filter 840
12.12.1 Grundprinzip 840
12.12.2 Der SC-Integrator 840
12.12.3 SC-Filter 1. Ordnung 841
12.12.4 SC-Filter 2. Ordnung 842
12.12.5 Integrierte Realisierung von SC-Filtern 843
12.12.6 Allgemeine Gesichtspunkte beim Einsatz von SC-Filtern 844
12.12.7 Typenübersicht 844
13. Signalgeneratoren 847
13.1 Rechteckformung 847
13.1.1 Komparator 847
13.1.1.1 Fensterkomparator 849
13.1.2 Schmitt-Trigger 849
13.2 Impulserzeugung 851
13.2.1 Erzeugung kurzer Impulse 851
13.2.2 Erzeugung längerer Impulse 852
13.3 Rechteckgeneratoren 854
13.3.1 Funktionsgeneratoren 854
13.3.2 Einfache Rechteckgeneratoren 857
13.3.2.1 Timer als Schmitt-Trigger 857
13.3.2.2 Operationsverstärker als Schmitt-Trigger 858
13.3.2.3 Gatter als Schmitt-Trigger 859
13.3.3 Rechteckgeneratoren mit hoher Frequenzgenauigkeit 859
13.4 Sinusschwingungen 860
13.4.1 Arbiträrgenerator 860
13.4.2 Direkte Digitale Synthese 861
14. Leistungsverstärker 863
14.1 Emitterfolger als Leistungsverstärker 863
14.2 Komplementäre Emitterfolger 865
14.2.1 Komplementäre Emitterfolger in B-Betrieb 865
14.2.2 Komplementäre Emitterfolger in AB-Betrieb 867
14.2.3 Erzeugung der Vorspannung 869
14.3 Komplementäre Darlington-Schaltungen 869
14.4 Komplementäre Drainschaltungen 870
14.5 Komplementäre Sourceschaltungen 872
14.6 Strombegrenzung 873
14.6.0.1 Spannungsabhängige Strombegrenzung 874
14.7 Vier-Quadranten-Betrieb 875
14.8 Dimensionierung einer Leistungsendstufe 876
14.9 Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstärkung 879
14.9.1 Breitband-Ansteuerschaltung 879
14.10 Erhöhung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstärker 881
14.11 Eine Betriebsspannung 882
14.11.1 Wechselspannungskopplung 882
14.11.2 Brückenschaltung 883
14.12 Getaktete Leistungsverstärker 885
15. Stromversorgung 889
15.1 Eigenschaften von Netztransformatoren 891
15.2 Netzgleichrichter 892
15.2.1 Einweggleichrichter 892
15.2.2 Brückengleichrichter 893
15.2.3 Mittelpunkt-Schaltung 897
15.2.3.1 Grundschaltung 897
15.2.3.2 Doppelte Mittelpunktschaltung 898
15.3 Lineare Spannungsregler 898
15.3.1 Prinzipien 899
15.3.2 Praktische Ausführung 899
15.3.3 Einstellung der Ausgangsspannung 901
15.3.4 Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust 902
15.3.5 Spannungsregler für negative Spannungen 903
15.3.6 Labornetzgeräte 904
15.3.7 Integrierte Spannungsregler 905
15.4 Erzeugung der Referenzspannung 906
15.4.1 Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden 906
15.4.2 Bandabstands-Referenz 908
15.4.3 Typenübersicht 910
15.5 Schaltregler ohne Potentialtrennung 911
15.5.1 Der Abwärts-Wandler 913
15.5.1.1 Prinzip 913
15.5.1.2 Ausführungsbeispiel 915
15.5.1.3 Leistungsschalter 916
15.5.1.4 Pulsbreitenmodulation 918
15.5.1.5 Pulsfrequenzmodulation 922
15.5.2 Aufwärts-Wandler 923
15.5.3 Invertierender Wandler 924
15.5.4 Aufwärts- Abwärtswandler 925
15.5.5 Sepie Konverter 926
15.5.6 Spannungswandler mit Ladungspumpe 928
15.5.7 Typenübersicht 930
15.6 Schaltregler mit Potentialtrennung 930
15.6.1 Eintakt-Wandler 932
15.6.1.1 Eintakt-Sperrwandler 932
15.6.1.2 Eintakt-Durchflusswandler 934
15.6.2 Gegentakt-Wandler 936
15.6.2.1 Gegentakt-Wandler mit Parallelspeisung 936
15.6.2.2 Gegentakt-Wandler in Halbbrückenschaltung 937
15.6.2.3 Gegentakt-Wandler in Brückenschaltung 939
15.6.3 Resonanzumrichter 942
15.6.4 Aktive Gleichrichtung 943
15.6.5 Leistungsschalter 945
15.6.5.1 Leistungstransistoren 945
15.6.5.2 Gatetreiber ohne Potentialtrennung 949
15.6.5.3 Gatetreiber mit Potentialtrennung 952
15.6.6 Integrierte Gatetreiber 955
15.6.7 Hochfrequenztransformatoren 956
15.6.8 Verlustanalyse 958
15.7 Leistungsfaktorkorrektur 959
16. DA- und AD-Umsetzer 963
16.1 Systemtheoretische Grundlagen 964
16.1.1 Quantisierung der Zeit 964
16.1.1.1 Abtasttheorem 964
16.1.1.2 Rückgewinnung des Analogsignals 966
16.1.1.3 Praktische Gesichtspunkte 966
16.1.2 Quantisierung der Amplitude 969
16.1.3 Spannungseinheit 970
16.2 Digital-Analog Umsetzung 970
16.2.1 Grundprinzipien der DA-Umsetzung 970
16.2.2 Wägeverfahren mit geschalteten Spannungen 971
16.2.2.1 Einsatz von Wechselschaltern 972
16.2.2.2 Leiternetzwerk 973
16.2.2.3 Inversbetrieb eines Leiternetzwerks 974
16.2.3 Wägeverfahren mit geschalteten Strömen 975
16.2.4 DA-Umsetzer für spezielle Anwendungen 976
16.2.4.1 Verarbeitung vorzeichenbehafteter Zahlen 976
16.2.4.2 Multiplizierende DA-Umsetzer 978
16.2.4.3 Dividierende DA-Umsetzer 978
16.2.5 Genauigkeit von DA-Umsetzern 979
16.2.5.1 Statische Kenngrößen 979
16.2.5.2 Dynamische Kenngrößen 979
16.3 Analog-Digital Umsetzer 982
16.3.1 Parallelverfahren 982
16.3.2 Pipelineumsetzer 985
16.3.3 Wägeverfahren 988
16.3.4 Zählverfahren 991
16.3.4.1 Modifiziertes Wägeverfahren 991
16.3.4.2 Dual-Slope-Verfahren 992
16.3.5 Überabtastung 994
16.3.6 Delta-Sigma-Verfahren 995
16.3.7 Genauigkeit von AD-Umsetzern 1000
16.3.7.1 Statische Fehler 1000
16.3.7.2 Dynamische Fehler 1001
16.3.7.3 Vergleich der Verfahren 1003
16.4 Abtast-Halte-Glieder 1003
16.4.1 Grundlagen 1003
16.4.2 Transmission-Gate als Schalter 1006
16.4.3 Dioden-Brücke als Schalter 1006
17. Messschaltungen 1009
17.1 Spannungsmessung 1009
17.1.1 Impedanzwandler 1009
17.1.1.1 Vergrößerung der Spannungsaussteuerbarkeit 1009
17.1.2 Messung von Potentialdifferenzen 1010
17.1.2.1 Subtrahierer mit beschalteten Operationsverstärkern . 1010
17.1.2.2 Subtrahierer für hohe Spannungen 1012
17.1.2.3 Subtrahierer mit gegengekoppelten
Differenzverstärkern 1013
17.1.2.4 Subtrahierer in SC-Technik 1015
17.1.3 Trennverstärker (Isolation Amplifier) 1016
17.2 Strommessung 1019
17.2.1 Potentialfreies Amperemeter mit niedrigem Spannungsabfall. 1019
17.2.2 Strommessung auf hohem Potential 1020
17.3 Messgleichrichter (AC/DC-Converter) 1020
17.3.1 Messung des Betragsmittelwertes 1020
17.3.1.1 Vollweggleichrichter mit geerdetem Ausgang 1021
17.3.1.2 Gleichrichtung durch Umschalten des Vorzeichens . 1023
17.3.1.3 Breitband-Vollweggleichrichter 1023
17.3.2 Messung des Effektivwertes 1024
17.3.2.1 Echte Effektivwertmessung (True RMS) 1025
17.3.2.2 Thermische Umformung 1027
17.3.3 Messung des Scheitelwertes 1029
17.3.3.1 Momentane Scheitelwertmessung 1030
17.3.4 Synchrongleichrichter 1031
18. Sensorik 1037
18.1 Temperaturmessung 1037
18.1.1 Metalle als Kaltleiter 1040
18.1.2 Kaltleiter auf Silizium-Basis, PTC 1040
18.1.3 Heißleiter, NTC 1041
18.1.4 Betrieb von Widerstandstemperaturfühlern 1041
18.1.5 Transistor als Temperatursensor 1046
18.1.6 Das Thermoelement 1049
18.1.7 Typenübersicht 1055
18.2 Druckmessung 1055
18.2.1 Aufbau von Drucksensoren 1056
18.2.2 Betrieb temperaturkompensierter Drucksensoren 1057
18.2.3 Temperaturkompensation von Drucksensoren 1061
18.2.4 Handelsübliche Drucksensoren 1063
18.3 Feuchtemessung 1064
18.3.1 Feuchtesensoren 1065
18.3.2 Betriebsschaltungen für kapazitive Feuchtesensoren 1066
18.4 Übertragung von Sensorsignalen 1069
18.4.1 Galvanisch gekoppelte Signalübertragung 1069
18.4.2 Galvanisch getrennte Signalübertragung 1072
18.5 Kalibrierung von Sensorsignalen 1073
18.5.1 Kalibrierung des Analogsignals 1073
18.5.2 Computer-gestützte Kalibrierung 1077
19. Elektronische Regler 1081
19.1 Grundlagen 1081
19.2 Regler-Typen 1082
19.2.1 P-Regler 1082
19.2.2 PI-Regler 1084
19.2.3 PID-Regler 1086
19.2.4 Einstellbarer PID-Regler 1088
19.3 Regelung nichtlinearer Strecken 1090
19.3.1 Statische Nichtlinearität 1090
19.3.2 Dynamische Nichtlinearität 1091
19.4 Nachlaufsynchronisation (PLL) 1092
19.4.1 Abtast-Halte-Glied als Phasendetektor 1094
19.4.1.1 Dynamisches Verhalten 1095
19.4.1.2 Dimensionierung des Reglers 1095
19.4.1.3 Einrastvorgang 1096
19.4.2 Synchrongleichrichter als Phasendetektor 1096
19.4.3 Frequenzempfindlicher Phasendetektor 1098
19.4.4 Phasendetektor mit beliebig erweiterbarem Messbereich 1100
19.4.5 PLL als Frequenzvervielfacher 1101
20. Optoelektronische Bauelemente 1105
20.1 Photometrische Grundbegriffe 1105
20.2 Photowiderstand 1107
20.3 Photodiode 1108
20.4 Phototransistor 1110
20.5 Leuchtdioden 1111
20.6 Optokoppler 1112
20.7 Optische Anzeige 1112
20.7.1 Binär-Anzeige 1113
20.7.2 Analog-Anzeige 1114
20.7.3 Numerische Anzeige 1116
20.7.4 Multiplex Anzeige 1117
20.7.5 Alpha-Numerische Anzeige 1119
20.7.5.1 16-Segment-Anzeigen 1119
20.7.5.2 35-Punktmatrix-Anzeigen 1120
Teil III. Schaltungen der Nachrichtentechnik
21. Grundlagen 1127
21.1 Nachrichtentechnische Systeme 1127
21.2 Übertragungskanäle 1130
21.2.1 Leitung 1130
21.2.1.1 Feldwellenwiderstand und Ausbreitungsgeschwin¬
digkeit 1131
21.2.1.2 Leitungswellenwiderstand 1131
21.2.1.3 Leitungsgleichung 1132
21.2.1.4 Dämpfung 1135
21.2.1.5 Kenngrößen einer Leitung 1136
21.2.1.6 Vierpoldarstellung einer Leitung 1137
21.2.1.7 Leitung mit Abschluss 1138
21.2.1.8 Streifenleitung 1140
21.2.2 Drahtlose Verbindung 1141
21.2.2.1 Antennen 1141
21.2.2.2 Leistungsübertragung über eine drahtlose Verbindung 1144
21.2.2.3 Frequenzbereiche 1145
21.2.3 Faseroptische Verbindung 1146
21.2.3.1 Lichtwellenleiter 1147
21.2.3.2 Wellenlängenbereiche 1150
21.2.4 Vergleich der Übertragungskanäle 1151
21.3 Reflexionsfaktor und S-Parameter 1152
21.3.1 Wellengrößen 1152
21.3.1.1 Darstellung mit Hilfe von Spannung und Strom 1153
21.3.2 Reflexionsfaktor 1154
21.3.2.1 Reflexionsfaktor-Ebene (r-Ebene) 1154
21.3.2.2 Einfluss einer Leitung auf den Reflexionsfaktor 1155
21.3.2.3 Stehwellenverhältnis 1157
21.3.3 Wellenquelle 1160
21.3.3.1 Unabhängige Welle einer Wellenquelle 1160
21.3.3.2 Verfügbare Leistung 1160
21.3.4 S-Parameter 1161
21.3.4.1 S-Matrix 1161
21.3.4.2 Messung der S-Parameter 1164
21.3.4.3 Zusammenhang mit den Y-Parametern 1164
21.3.4.4 S-Parameter eines Transistors 1164
21.3.4.5 Ortskurven 1166
21.4 Modulationsverfahren 1168
21.4.1 Amplitudenmodulation 1172
21.4.1.1 Darstellung im Zeitbereich 1173
21.4.1.2 Darstellung im Frequenzbereich 1175
21.4.1.3 Modulation 1176
21.4.1.4 Demodulation 1177
21.4.2 Frequenzmodulation 1180
21.4.2.1 Darstellung im Zeitbereich 1181
21.4.2.2 Darstellung im Frequenzbereich 1182
21.4.2.3 Modulation 1185
21.4.2.4 Demodulation 1185
21.4.3 Digitale Modulationsverfahren 1188
21.4.3.1 Einfache Tastverfahren 1188
21.4.3.2 I/Q-Darstellung digitaler Modulationsverfahren 1191
21.4.3.3 Impulsformung 1198
21.4.3.4 Ein einfacher QPSK-Modulator 1203
21.5 Mehrfachnutzung und Gruppierung von Kanälen 1206
21.5.1 Multiplex-Verfahren 1206
21.5.1.1 Frequenzmultiplex 1206
21.5.1.2 Zeitmultiplex 1207
21.5.1.3 Codemultiplex 1208
21.5.2 Duplex-Verfahren 1214
21.5.2.1 Frequenzduplex 1214
21.5.2.2 Zeitduplex 1214
22. Sender und Empfänger 1217
22.1 Sender 1217
22.1.1 Sender mit analoger Modulation 1217
22.1.1.1 Sendermit direkter Modulation 1217
22.1.1.2 Sender mit einer Zwischenfrequenz 1217
22.1.1.3 Sender mit zwei Zwischenfrequenzen 1220
22.1.1.4 Sender mit variabler Sendefrequenz 1222
22.1.2 Sender mit digitaler Modulation 1222
22.1.3 Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen 1223
22.2 Empfänger 1225
22.2.1 Geradeausempfänger 1225
22.2.2 Überlagerungsempfänger 1226
22.2.2.1 HF-Filter 1227
22.2.2.2 Vorverstärker 1228
22.2.2.3 Vorselektion 1229
22.2.2.4 ZF-Filter 1229
22.2.2.5 Überlagerungsempfänger mit zwei
Zwischenfrequenzen 1230
22.2.2.6 Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen 1231
22.2.3 Verstärkungsregelung 1232
22.2.3.1 Regelverhalten 1233
22.2.3.2 Regelbarer Verstärker (VGA) 1235
22.2.3.3 Anordnung der Verstärkungsregelung im Empfänger . 1237
22.2.3.4 Pegeldetektion 1237
22.2.3.5 Digitale Verstärkungsregelung i 238
22.2.4 Dynamikbereich eines Empfängers 1239
22.2.4.1 Rauschzahl des Empfängers 1241
22.2.4.2 Minimaler Empfangspegel 1242
22.2.4.3 Maximaler Empfangspegel 1243
22.2.4.4 Dynamikbereich 1244
22.2.5 Empfänger für digitale Modulationsverfahren 1249
22.2.5.1 Empfänger mit digitalen Kanalfiltern 1251
22.2.5.2 Empfänger mit ZF-Abtastung und digitalen
Kanalfiltern 1256
22.2.5.3 Vergleich der Empfänger für digitale
Modulationsverfahren 1260
22.2.5.4 Direktumsetzender Empfänger 1261
23. Passive Komponenten 1267
23.1 Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder 1267
23.1.1 Widerstand 1268
23.1.2 Spule 1269
23.1.3 Kondensator 1272
23.2 Filter 1273
23.2.1 LC-Filter 1274
23.2.1.1 Zweikreisiges Bandfilter 1274
23.2.1.2 Filter mit Leitungen 1279
23.2.2 Dielektrische Filter 1280
23.2.3 SAW-Filter 1282
23.3 Schaltungen zur Impedanztransformation 1284
23.3.1 Anpassung 1285
23.3.1.1 Anpassnetzwerke mit zwei Elementen 1285
23.3.1.2 Collins-Filter 1289
23.3.1.3 Anpassung mit Streifenleitungen 1290
23.3.2 Ankopplung 1295
23.3.2.1 Ankopplung mit kapazitivem Spannungsteiler 1296
23.3.2.2 Ankopplung mit induktivem Spannungsteiler 1297
23.3.2.3 Ankopplung mit festgekoppeltem induktivem
Spannungsteiler 1297
23.4 Leistungsteiler und Hybride 1297
23.4.1 Leistungsteiler 1299
23.4.1.1 Verlustbehaftete Leistungsteiler mit Widerständen . 1299
23.4.1.2 Wilkinson-Teiler 1299
23.4.2 Hybride 1300
23.4.2.1 S-Parameter eines Hybrids 1300
23.4.2.2 Hybride mit Spulen und Kondensatoren 1302
23.4.2.3 Hybride mit Leitungen 1302
24. Hochfrequenz-Verstärker 1305
24.1 Integrierte Hochfrequenz-Verstärker 1305
24.1.1 Anpassung 1307
24.1.1.1 Eingangsseitige Anpassung 1307
24.1.1.2 Ausgangsseitige Anpassung 1308
24.1.2 Rauschzahl 1309
24.1.3 Entwurf rauscharmer integrierter HF-Verstärker (LNA) 1311
24.1.3.1 Ohmsche Gegenkopplung bei niedrigen Frequenzen . 1312
24.1.3.2 Gegenkopplung bei hohen Frequenzen 1318
24.2 HF-Verstärker mit Einzeltransistoren 1328
24.2.1 Verallgemeinerter Einzeltransistor 1329
24.2.2 Arbeitspunkteinstellung 1330
24.2.2.1 Gleichstromgegenkopplung 1330
24.2.2.2 Gleichspannungsgegenkopplung 1332
24.2.2.3 Arbeitspunktregelung 1332
24.2.3 Anpassung einstufiger Verstärker 1333
24.2.3.1 Bedingungen für die Anpassung 1333
24.2.3.2 Reflexionsfaktoren des Transistors 1334
24.2.3.3 Berechnung der Anpassung 1335
24.2.3.4 Stabilität bei der Betriebsfrequenz 1335
24.2.3.5 Berechnung der Anpassnetzwerke 1336
24.2.3.6 Stabilität im ganzen Frequenzbereich 1336
24.2.3.7 Leistungsverstärkung 1336
24.2.4 Anpassung mehrstufiger Verstärker 1341
24.2.4.1 Anpassung mit Serien-Induktivität 1342
24.2.5 Neutralisation 1342
24.2.5.1 Schaltungen zur Neutralisation 1342
24.2.5.2 Leistungsverstärkung bei Neutralisation 1342
24.2.6 Besondere Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung 1345
24.2.6.1 Anpassung mit Zirkulatoren 1345
24.2.6.2 Anpassung mit Hybriden 1347
24.2.7 Rauschen 1348
24.2.7.1 Rauschparameter und Rauschzahl 1348
24.2.7.2 Entwurf eines rauscharmen Verstärkers 1348
24.3 Breitband-Verstärker 1351
24.3.1 Prinzip eines Breitband-Verstärkers 1351
24.3.2 Ausführung eines Breitband-Verstärkers 1353
24.4 Kenngrößen von Hochfrequenz-Verstärkern 1357
24.4.1 Leistungsverstärkung 1357
24.4.1.1 Klemmenleistungsgewinn 1358
24.4.1.2 Einfiigungsgewinn 1359
24.4.1.3 Übertragungsgewinn 1359
24.4.1.4 Verfügbarer Leistungsgewinn 1360
24.4.1.5 Vergleich der Gewinn-Definitionen 1361
24.4.1.6 Gewinn bei beidseitiger Anpassung 1361
24.4.1.7 Maximaler Leistungsgewinn bei Transistoren 1362
24.4.2 Nichtlineare Kenngrößen 1364
24.4.2.1 Betriebsbedingungen 1365
24.4.2.2 Kennlinien eines Hochfrequenz-Verstärkers 1365
24.4.2.3 Kleinsignalverstärkung 1367
24.4.2.4 Kompressionspunkt 1368
24.4.2.5 Intermodulation 1369
25. Mischer 1371
25.1 Funktionsprinzip eines idealen Mischers 1371
25.1.1 Aufwärtsmischer 1372
25.1.2 Abwärtsmischer 1372
25.1.3 Mischer mit Spiegelfrequenz-Unterdrückung 1375
25.2 Funktionsprinzipen bei praktischen Mischern 1377
25.2.1 Additive Mischung 1377
25.2.1.1 Gleichungsmäßige Beschreibung 1377
25.2.1.2 Nichtlinearität 1378
25.2.1.3 Praktische Ausführung 1381
25.2.1.4 Einsatz additiver Mischer 1386
25.2.2 Multiplikative Mischung 1386
25.2.2.1 Gleichungsmäßige Beschreibung 1386
25.2.2.2 Schaltverhalten der Schalter 1389
25.2.2.3 Nichtlinearität 1390
25.2.2.4 Praktische Ausführung 1390
25.3 Mischer mit Dioden 1390
25.3.1 Eintaktmischer 1391
25.3.1.1 LO-Kreis 1393
25.3.1.2 Kleinsignalersatzschaltbild 1395
25.3.1.3 Kleinsignalverhalten 1396
25.3.1.4 Mischverstärkung 1398
25.3.1.5 Mischgewinn 1399
25.3.1.6 Vergleich mit idealem Schalter 1401
25.3.1.7 Nachteile des Eintaktmischers 1402
25.3.2 Gegentaktmischer 1402
25.3.2.1 LO-Kreis 1404
25.3.2.2 Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten . 1404
25.3.2.3 Vor- und Nachteile des Gegentaktmischers 1405
25.3.3 Ringmischer 1406
25.3.3.1 LO-Kreis 1407
25.3.3.2 Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten . 1409
25.3.4 Breitbandiger Betrieb 1411
25.3.4.1 Kleinsignalverhalten 1412
25.3.4.2 Anpassung 1414
25.3.4.3 Mischgewinn 1415
25.3.4.4 Allgemeiner Fall 1417
25.3.4.5 Vergleich von Schmalband- und Breitbandbetrieb 1423
25.3.5 Kenngrößen 1423
25.3.6 Rauschen 1424
25.3.6.1 Verfahren zur Berechnung der Rauschzahl 1425
25.3.6.2 Näherungen für Schmalband- und Breitbandbetrieb . 1427
25.3.7 Praktische Diodenmischer 1429
25.4 Passive Mischer mit Feldeffekttransistoren 1431
25.4.1 Eintaktmischer 1432
25.4.1.1 LO-Kreis 1432
25.4.1.2 Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignal verhalten . 1438
25.4.1.3 Nachteile des Eintaktmischers 1441
25.4.2 Gegentaktmischer 1442
25.4.3 Ringmischer 1445
25.4.4 Integrierte Fet-Mischer 1446
25.4.5 Eigenschaften von passiven Fet-Mischern 1449
25.4.5.1 Frequenzbereich 1449
25.4.5.2 LO-Leistung 1449
25.4.5.3 Nichtlinearität 1449
25.4.5.4 Rauschen 1449
25.5 Aktive Mischer mit Transistoren 1450
25.5.1 Gegentaktmischer 1450
25.5.1.1 Berechnung des Übertragungsverhaltens 1451
25.5.1.2 Rechteckförmige LO-Spannung 1452
25.5.1.3 Sinusförmige LO-Spannung 1453
25.5.1.4 Kleinsignalverhalten 1454
25.5.1.5 Mischverstärkung 1455
25.5.1.6 Bandbreite 1455
25.5.1.7 Anpassung 1456
25.5.1.8 Mischgewinn 1457
25.5.1.9 Praktische Ausführung 1459
25.5. l.lGGegentaktmischermit Übertragern 1461
25.5.1.1 INachteil des Gegentaktmischers mit Transistoren . 1463
25.5.2 Doppel-Gegentaktmischer (Gilbert-Mischer) 1463
25.5.2.1 Berechnung des Übertragungsverhaltens 1465
25.5.2.2 Kleinsignalverhalten 1467
25.5.2.3 Mischverstärkung 1468
25.5.2.4 Bandbreite 1469
25.5.2.5 Doppel-Gegentaktmischer in integrierten Schaltungen 1469
25.5.2.6 Anpassung 1470
25.5.2.7 Mischgewinn 1472
25.5.2.8 I/Q-Mischer mit Doppel-Gegentaktmischern 1474
25.5.3 Kenngrößen 1475
25.5.4 Rauschen 1475
25.6 Vergleich aktiver und passiver Mischer 1478
25.6.1 Rauschzahl, Intercept-Punkt und Dynamikbereich 1478
25.6.2 Bandbreite 1479
25.6.3 LO-Leistung 1480
25.7 Mischer mit Spiegelfrequenz-Unterdrückung 1480
25.7.1 Phasenschieber 1481
25.7.1.1 RC-Phasenschieber 1481
25.7.1.2 RC-Polyphasen-Filter 1481
25.7.1.3 Hybride als Phasenschieber 1483
25.7.2 Spiegelfrequenz-Unterdrückung 1484
26. Oszillatoren 1487
26.1 LC-Oszillatoren 1488
26.1.1 LC-Resonanzkreise 1488
26.1.2 Verstärker mit selektiver Mitkopplung 1491
26.1.2.1 Mitkopplung mit Parallelschwingkreis 1492
26.1.2.2 Mitkopplung mit Serienschwingkreis 1493
26.1.2.3 Vergleich der Schaltungen 1493
26.1.3 Schleifenverstärkung 1493
26.1.3.1 Berechnung bei Verstärkern ohne Rückwirkung 1493
26.1.3.2 Berechnung bei Verstärkern mit Rückwirkung 1495
26.1.3.3 Güte der Schleifenverstärkung 1497
26.1.3.4 Übertragungsfunktion und Zeitsignale 1498
26.1.3.5 Schleifenverstärkung bei Übersteuerung 1500
26.1.3.6 Negative Widerstände 1501
26.1.4 LC-Oszillatoren mit zweistufigen Verstärkern 1502
26.1.4.1 Zweistufiger LC-Oszillator mit Parallelschwingkreis . 1502
26.1.4.2 Zweistufiger Oszillator mit Serienschwingkreis 1506
26.1.4.3 Zusammenfassung der wichtigen Punkte 1508
26.1.5 LC-Oszillatoren mit einstufigen Verstärkern 1509
26.1.5.1 Colpitts-Oszillator in Basisschaltung 1510
26.1.5.2 Colpitts-Oszillator in Kollektorschaltung 1515
26.1.5.3 Colpitts-Oszillator in Emitterschaltung 1521
26.1.5.4 Colpitts-Oszillator mit CMOS-Inverter 1522
26.1.5.5 Colpitts-Oszillator mit Differenzverstärker 1523
26.1.5.6 Eigenschaften integrierter und diskreter
Colpitts-Oszillatoren 1525
26.1.5.7 Hartley-Oszillatoren 1527
26.1.5.8 Gegentaktoszillatoren 1528
26.1.5.9 Weitere Oszillatoren 1534
26.2 Oszillatoren mit Leitungen 1536
26.2.1 Leitungsresonatoren 1537
26.2.1.1 Ersatzschaltbild 1537
26.2.1.2 Betriebsbedingungen 1537
26.2.1.3 Berechnung der Elemente 1537
26.2.1.4 Praktische Leitungsresonatoren 1539
26.2.1.5 Leitungsparameter 1543
26.2.2 Schaltungen 1545
26.2.2.1 Oszillatoren mit Leitungsresonatoren 1545
26.2.2.2 Oszillatoren mit dielektrischen Resonatoren 1549
26.3 Quarz-Oszillatoren 1549
26.3.1 Quarz-Resonatoren 1550
26.3.1.1 Ersatzschaltbild 1551
26.3.1.2 Impedanz und Resonanzfrequenzen 1551
26.3.1.3 Frequenzabgleich 1554
26.3.1.4 Verlustleistung 1556
26.3.1.5 Temperaturverhalten 1557
26.3.2 Schaltungen 1557
26.3.2.1 Taktoszillatoren 1558
26.3.2.2 Referenzoszillatoren 1561
26.3.3 Alternative Resonatoren 1567
26.3.3.1 Keramische Resonatoren 1567
26.3.3.2 Oberflächenwellen-Resonatoren 1567
26.4 Frequenzabstimmung 1569
26.4.1 Varaktoren 1570
26.4.1.1 Bipolare Varaktoren 1570
26.4.1.2 MOS-Varaktoren 1570
26.4.1.3 Kleinsignalmodell 1571
26.4.2 Abstimmung 1572
26.4.2.1 Abstimmung eines Parallelschwingkreises 1572
26.4.2.2 Kennlinie 1577
26.4.2.3 Abstimmung eines Serienschwingkreises 1579
26.4.2.4 Breitband-Abstimmung 1579
26.4.2.5 Aussteuerung 1582
26.4.2.6 Modulation 1583
26.5 Amplitudenregelung 1584
26.5.1 Regelung und Begrenzung 1584
26.5.2 Regelmechanismen 1585
26.5.2.1 Regelung über den Ruhestrom 1585
26.5.2.2 Regelung mit Stromteiler 1586
26.5.3 Amplitudenmessung 1587
26.6 Phasenrauschen 1589
26.6.1 Darstellung im Zeit- und im Frequenzbereich 1589
26.6.1.1 Zeitbereich 1589
26.6.1.2 Frequenzbereich 1591
26.6.2 Entstehung 1594
26.6.2.1 Linearer Anteil 1595
26.6.2.2 Modulations- und Konversionsanteil 1598
26.6.3 Frequenzteilung und Frequenzvervielfachung 1599
26.6.4 Betrieb mit einer phasenstarren Schleife 1601
26.6.5 Vergleich verschiedener Oszillatoren 1603
27. Anhang 1605
27.1 PSpice-Kurzanleitung 1605
27.1.1 Grundsätzliches 1605
27.1.2 Programme und Dateien 1605
27.1.2.1 Spiee 1605
27.1.2.2 PSpice 1605
27.1.3 Ein einfaches Beispiel 1608
27.1.3.1 Eingabe des Schaltplans 1608
27.1.3.2 Simulationsanweisungen eingeben 1613
27.1.3.3 Simulation starten 1616
27.1.3.4 Anzeigen der Ergebnisse 1616
27.1.3.5 Arbeitspunkt anzeigen 1621
27.1.3.6 Netzliste und Ausgabedatei 1622
27.1.4 Weitere Simulationsbeispiele 1624
27.1.4.1 Kennlinien eines Transistors 1624
27.1.4.2 Verwendung von Parametern 1624
27.1.5 Einbinden weiterer Bibliotheken 1628
27.1.6 Einige typische Fehler 1630
27.2 Passive RC- und LRC-Netzwerke 1632
27.2.1 Der Tiefpass 1632
27.2.1.1 Beschreibung im Frequenzbereich 1632
27.2.1.2 Beschreibung im Zeitbereich 1633
27.2.2 Der Hochpass 1636
27.2.2.1 Anwendung als Koppel-RC-Glied 1637
27.2.2.2 Anwendung als Differenzierglied 1638
27.2.2.3 Reihenschaltung mehrerer Hochpässe 1638
27.2.3 Kompensierter Spannungsteiler 1638
27.2.4 Passiver RC-Bandpass 1639
27.2.5 Wien-Robinson-Brücke 1640
27.2.6 Doppel-T-Filter 1641
27.2.7 Schwingkreis 1643
27.3 Erklärung der verwendeten Größen 1644
27.4 Typen der 7400-Logik-Familien 1651
27.5 Normwert-Reihen 1658
27.6 Farbcode 1659
27.7 Hersteller 1661
Literaturverzeichnis 1669
Sachverzeichnis 1673 |
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