Schaltungstechnik - analog und gemischt analog/digital: Entwicklungsmethodik, Funktionsschaltungen, Funktionsprimitive von Schaltkreisen
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| Format: | Book |
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Berlin [u.a.]
Springer Vieweg
2014
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| Edition: | 5., neu bearb. und erw. Aufl. |
| Series: | Springer-Lehrbuch
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
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|---|---|
| adam_text | INHALTSVERZEICHNIS
1 EINFUEHRUNG 1
1.1 MOTIVATION FIIR DIE ANALOGE SCHALTUNGSTECHNIK 1
1.2 WICHTIGE GRUNDBEGRIFFE 3
2 ENTWICKLUNGS- UND ANALYSEMETHODIK 9
2.1 METHODIK ZUR ELEKTRONIKSYSTEMENTWICKLUNG 9
2.1.1 PROZESSABLAUF BEI DER ELEKTRONIKSYSTEMENTWICKLUNG 10
2.1.2 BEISPIELE FUER ANWENDUNGEN DER ANALOGEN SCHALTUNGSTECHNIK 15
2.1.3 TECHNOLOGIEN ZUR REALISIERUNG VON SCHALTUNGEN 18
2.1.4 STRUKTURIERUNG DER SCHALTUNGSTECHNIK 20
2.1.5 PROZESSABLAUF BEI DER SCHALTUNGSENTWICKLUNG 25
2.2 SCHALTUNGSANALYSE MIT PSPICE 28
2.2.1 PROZESSABLAUF BEI DER SCHALTKREISSIMULATION 29
2.2.2 BESCHREIBUNG UND ANALYSE EINER TESTANORDNUNG 34
2.2.3 DC/AC/TR-ANALYSE DARGESTELLT AN EINER BEISPIELSCHALTUNG 44
2.3 ABSCHAETZANALYSE 56
2.3.1 ZUR SYSTEMATIK BEI DER ABSCHAETZANALYSE 56
2.3.2 FREQUENZBEREICHSANALYSE - BODEDIAGRAMM 60
2.4 WAERMEFLUSSANALYSE 71
2.5 DIE HARDWAREBESCHREIBUNGSSPRACHE VHDL-AMS 76
3 MODELLE VON HALBLEITERBAUELEMENTEN 93
3.1 MODELLBESCHREIBUNGEN VON DIODEN 93
3.1.1 MODELLBESCHREIBUNGEN EINER DIODE FUER DIE SCHALTKREISSIMULATION ..
93
3.1.2 VEREINFACHTE MODELLE FUER DIE ABSCHAETZANALYSE 102
3.1.3 MODELLBESCHREIBUNG EINER DIODE IN VHDL-AMS 104
3.2 GRUNDLAGEN DES RAUSCHENS 105
3.2.1 ZUR BESCHREIBUNG VON RAUSCHGROESSEN 105
3.2.2 MODELLIERUNG VON RAUSCHQUELLEN 108
IX
HTTP://D-NB.INFO/102305938X
X INHALTSVERZEICHNIS
3.3 MODELLBESCHREIBUNGEN FUER BIPOLARTRANSISTOREN 112
3.3.1 WICHTIGE KENNLINIEN EINES BIPOLARTRANSISTORS 112
3.3.2 PHYSIKALISCHER AUFBAU UND GRUNDMODELL 117
3.3.3 DC-MODELLVARIANTEN FUER DIE ABSCHAETZANALYSE 125
3.3.4 AC-MODELLVARIANTEN FUER DIE ABSCHAETZANALYSE 127
3.3.5 RAUSCHEN EINES BJT-VERSTAERKERS 129
3.3.6 GUMMEL-POON MODELL 132
3.3.7 VERHALTENSMODELL IN VHDL-AMS 137
3.4 MODELLBESCHREIBUNGEN VON FELDEFFEKTTRANSISTOREN 140
3.4.1 AUFBAU, EIGENSCHAFTEN UND KENNLINIEN VON SPERRSCHICHT-FETS 140
3.4.2 AC-MODELL UND RAUSCHEN VON SPERRSCHICHT-FETS 145
3.4.3 AUFBAU, EIGENSCHAFTEN UND KENNLINIEN VON ISOLIERSCHICHT-FETS ....
147
3.4.4 GRUNDMODELL EINES ISOLIERSCHICHT-FETS 151
3.4.5 AC-MODELL UND RAUSCHEN VON ISOLIERSCHICHT-FETS 152
3.4.6 MOSFET-LEVEL-I MODELLE 153
3.4.7 VERHALTENSMODELL IN VHDL-AMS 155
4 GRUNDLEGENDE FUNKTIONSPRIMITIVE 159
4.1 PASSIVE FUNKTIONSGRUNDSCHALTUNGEN 159
4.1.1 FUNKTIONSGRUNDSCHALTUNGEN MIT SPANNUNGSTEILERN 159
4.1.2 UEBERTRAGER 163
4.1.3 RC-RESONATOR 165
4.1.4 LC-RESONATOREN 166
4.1.5 ANGEPASSTER TIEFPASS/HOCHPASS 172
4.2 FUNKTIONSGRUNDSCHALTUNGEN MIT DIODEN 173
4.2.1 GLEICHRICHTERSCHALTUNGEN UND SPANNUNGSVERVIELFACHER 174
4.2.2 ANWENDUNGEN DER DIODE ALS SPANNUNGSQUELLE 181
4.2.3 SIGNALDETEKTORSCHALTUNGEN 182
4.2.4 BEGRENZER-, KLEMM- UND SCHUTZSCHALTUNGEN 190
4.2.5 WIRKPRINZIP VON SCHALTNETZTEILEN 194
5 LINEARVERSTAERKER UND OPERATIONSVERSTAERKER 199
5.1 EIGENSCHAFTEN VON LINEARVERSTAERKERN - MAKROMODELLE 199
5.1.1 GRUNDMODELL EINES LINEARVERSTAERKERS 199
5.1.2 SCHNITTSTELLENVERHALTEN 205
5.1.3 AUSSTEUERGRENZEN EINES LINEARVERSTAERKERS 207
5.1.4 RAUSCHEN VON VERSTAERKERN 210
5.2 RUECKGEKOPPELTE LINEARVERSTAERKER 216
5.2.1 RUECKKOPPLUNG ALLGEMEIN UND SCHWINGBEDINGUNG 216
5.2.2 FREQUENZGANG DES RUECKGEKOPPELTEN SYSTEMS 221
5.2.3 SERIENGEGENGEKOPPELTE LV MIT GESTEUERTER SPANNUNGSQUELLE 224
5.2.4 SERIENGEGENGEKOPPELTE LV MIT GESTEUERTER STROMQUELLE 226
INHALTSVERZEICHNIS XI
5.2.5 PARALLELGEGENGEKOPPELTE LV MIT GESTEUERTER SPANNUNGSQUELLE 228
5.2.6 PARALLELGEGENGEKOPPELTE LV MIT GESTEUERTER STROMQUELLE 232
5.3 STABILITAET UND FREQUENZGANGKORREKTUR VON LV 234
5.3.1 ANALYSE DER SCHLEIFENVERSTAERKUNG 234
5.3.2 FREQUENZGANGKORREKTUR DES GERADEAUSVERSTAERKERS 236
5.3.3 FREQUENZGANGKORREKTUR AM RUECKKOPPLUNGSNETZWERK 240
5.4 OPERATIONSVERSTAERKER 246
5.4.1 ERWEITERUNG DES MAKROMODELLS 246
5.4.2 GLEICHTAKTUNTERDRUECKUNG UND AUSSTEUERGRENZEN VON OPS 253
5.4.3 EINFLUESSE DER DC-PARAMETER AUF DIE AUSGANGSOFFSETSPANNUNG 257
5.4.4 RAUSCHEN VON OP-VERSTAERKERN 260
5.4.5 SLEW-RATE VERHALTEN EINES OP-VERSTAERKERS 261
5.5 OP-VERSTAERKERANWENDUNGEN 265
5.5.1 INSTRUMENTENVERSTAERKER 265
5.5.2 SENSORVERSTAERKER 265
5.5.3 TREPPENGENERATOR 267
5.5.4 KOMPRESSOR/EXPANDER-VERSTAERKER 268
5.5.5 AKTIVE SIGNALDETEKTOREN 269
5.5.6 TACHOMETERSCHALTUNG ZUR ANALOGEN FREQUENZBESTIMMUNG 271
5.5.7 ANALOGE FILTERSCHALTUNGEN 272
5.5.8 VIRTUELLE INDUKTIVITAET 274
5.5.9 SCHMITT-TRIGGER 276
5.5.10 ASTABILER MULTIVIBRATOR 278
5.5.11 NEGATIVE-IMPEDANCE-CONVERTER 279
6 FUNKTIONSGRUNDSCHALTUNGEN MIT BJTS 281
6.1 VORGEHENSWEISE BEI DER ABSCHAETZANALYSE 281
6.1.1 VORGEHENSWEISE BEI DER DC-ANALYSE 281
6.1.2 VORGEHENSWEISE BEI DER AC-ANALYSE 282
6.1.3 SERIENGEGENGEKOPPELTER TRANSISTOR 284
6.1.4 PARALLELGEGENGEKOPPELTER TRANSISTOR 286
6.2 ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG UND STABILITAET 288
6.2.1 SCHALTUNGSVARIANTEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG 288
6.2.2 ARBEITSPUNKTBESTIMMUNG UND ARBEITSPUNKTSTABILITAET 294
6.3 WICHTIGE FUNKTIONSPRIMITIVE MIT BJTS 302
6.3.1 RC-VERSTAERKER IN EMITTERGRUNDSCHALTUNG 302
6.3.2 RC-VERSTAERKER IN BASISGRUNDSCHALTUNG 310
6.3.3 EMITTERFOLGER 315
6.3.4 DER BIPOLARTRANSISTOR ALS SPANNUNGSQUELLE 320
6.3.5 DER BIPOLARTRANSISTOR ALS STROMQUELLE 322
6.3.6 DARLINGTONSTUFEN 324
6.3.7 KASKODE-SCHALTUNG 328
6.3.8 VERSTAERKER MIT STROMQUELLE ALS LAST 330
XII INHALTSVERZEICHNIS
6.4 DIFFERENZSTUFEN MIT BJTS 334
6.4.1 EMITTERGEKOPPELTE DIFFERENZSTUFEN 334
6.4.2 BASISGEKOPPELTE DIFFERENZSTUFEN 347
6.4.3 DIFFERENZSTUFEN IN KASKODESCHALTUNG 356
6.5 SCHALTERANWENDUNGEN DES BIPOLARTRANSISTORS 359
6.5.1 SPANNUNGSGESTEUERTER SCHALTER 359
6.5.2 GEGENTAKTSCHALTER 365
6.6 WEITERE FUNKTIONSPRIMITIVE MIT BJTS 366
6.6.1 LOGARITHMISCHER VERSTAERKER 366
6.6.2 KONSTANTSTROMQUELLEN 367
6.6.3 KONSTANTSPANNUNGSQUELLEN 374
6.6.4 SCHALTUNGSBEISPIELE ZUR POTENZIALVERSCHIEBUNG 377
7 FUNKTIONSGRUNDSCHALTUNGEN MIT FETS 381
7.1 VORGEHENSWEISE BEI DER ABSCHAETZANALYSE 381
7.1.1 VORGEHENSWEISE BEI DER DC-ANALYSE 381
7.1.2 VORGEHENSWEISE BEI DER AC-ANALYSE 382
7.2 ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG UND ARBEITSPUNKTSTABILITAET 383
7.3 GRUNDSCHALTUNGEN MIT FELDEFFEKTTRANSISTOREN 391
7.3.1 VERSTAERKERSCHALTUNGEN MIT FELDEFFEKTTRANSISTOREN 391
7.3.2 ANWENDUNG DES LINEARBETRIEBS VON FELDEFFEKTTRANSISTOREN 402
7.3.3 DIFFERENZSTUFEN MIT FELDEFFEKTTRANSISTOREN 406
7.4 DIGITALE ANWENDUNGSSCHALTUNGEN MIT MOSFETS 410
7.4.1 NMOS-INVERTER 410
7.4.2 CMOS-INVERTER 417
7.4.3 SCHALTER-KONDENSATOR-TECHNIK 425
8 FUNKTIONSSCHALTUNGEN FUER SYSTEMANWENDUNGEN 431
8.1 TREIBERSTUFEN 431
8.1.1 TREIBERSTUFEN IM A-BETRIEB 432
8.1.2 KOMPLEMENTAERE EMITTERFOLGER IM AB-BETRIEB 438
8.1.3 KLASSE D VERSTAERKER 443
8.2 LINEARVERSTAERKER AUF TRANSISTOREBENE 445
8.2.1 OP-VERSTAERKER |IA741- ABSCHAETZANALYSE 445
8.2.2 ZWEISTUFIGER LINEARVERSTAERKER MIT BJTS 449
8.2.3 REGELVERSTAERKER MIT BJTS 456
8.3 BEISPIELSCHALTUNGEN DER KOMMUNIKATIONSELEKTRONIK 458
8.3.1 OSZILLATORSCHALTUNG - AM/FM MODULIERBAR 459
8.3.2 SPANNUNGSGESTEUERTER OSZILLATOR - VCO 465
8.3.3 PHASENVERGLEICHER 467
8.3.4 DOPPELGEGENTAKT-MISCHER 470
8.3.5 SCHALTUNGEN ZUR DIGITALEN MODULATION 472
8.3.6 BESTANDTEILE EINES FUNKEMPFANGERS 481
INHALTSVERZEICHNIS XIII
8.4 PLL-SCHALTKREISE 484
8.4.1 AUFBAU UND WIRKUNGSPRINZIP 485
8.4.2 FUNKTIONSBAUSTEINE EINER PLL 487
8.4.3 SYSTEMVERHALTEN 500
8.4.4 ANWENDUNGEN 509
8.5 BEISPIELE VON SENSORSCHALTUNGEN 512
8.5.1 OPTISCHER EMPFAENGER ALS PHOTODETEKTOR 512
8.5.2 INDUKTIVER ABSTANDSSENSOR 514
8.6 SEKUNDAER GETAKTETES SCHALTNETZTEIL 517
9 ANALOG/DIGITALE SCHNITTSTELLE 521
9.1 ZUR CHARAKTERISIERUNG EINER LOGIKFUNKTION 521
9.1.1 MODELLBESCHREIBUNG EINER LOGIKFUNKTION 522
9.1.2 EREIGNISSTEUERUNG 529
9.1.3 ENTSPRECHUNGEN ZWISCHEN SCHEMATIC- UND VHDL-BESCHREIBUNG... 533
9.2 DIGITAL/ANALOG WANDLUNG 533
9.3 ABTASTUNG ANALOGER SIGNALE 537
9.3.1 ABTASTTHEOREM 538
9.3.2 QUANTISIERUNGSRAUSCHEN 539
9.3.3 ABTASTHALTESCHALTUNGEN 540
9.4 ANALOG/DIGITAL WANDLUNG 543
9.4.1 ZAEHLVERFAEHREN 543
9.4.2 SUKZESSIVE APPROXIMATIONSVERFEHREN 546
9.4.3 PARALLELVERFAHREN 550
9.5 DELTA-SIGMA WANDLER 554
9.5.1 ZUM AUFBAU VON DELTA-SIGMA WANDLERN 554
9.5.2 RAUSCHVERHALTEN UND RAUSCHFORMUNG 561
10 SCHALTUNGSINTEGRATION 565
10.1 MIKROELEKTRONISCHE PROZESSTECHNOLOGIE 566
10.1.1 PLANARTECHNIK 568
10.1.2 PRINZIPIELLER HERSTELLUNGSABLAUF 570
10.1.3 STRUKTURIERUNG MIT LITHOGRAFIE 570
10.1.4 CMOS-PROZESSFOLGE 571
10.1.5 REALISIERUNG VON DIELEKTRIKA, OXID-SCHICHTEN 579
10.1.6 DOTIERVERFAHREN, DIFFUSION, IONENIMPLANTATION 581
10.1.7 ABTRAGEN VON SCHICHTEN, AETZEN, POLIEREN 582
10.1.8 POLYKRISTALLINES SILIZIUM (POLY-SI) 582
10.1.9 METALLISIERUNG 583
10.2 CMOS-VARIANTEN 584
10.2.1 LATCHUP-EFFEKT 587
10.2.2 WIRKELEMENTE IM CMOS-QUERSCHNITT 589
10.2.3 CMOS-STANDARDPROZESS 590
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
10.3 LAYOUT 591
10.3.1 LAYOUT-REGELN 591
10.4 INTEGRIERTE WIDERSTAENDE 595
10.4.1 WIDERSTAENDE, ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN 595
10.4.2 AUSFUHRUNGSVARIANTEN, WIDERSTANDSTYPEN 597
10.4.3 ZUSAMMENFASSUNG 599
10.4.4 KONTAKTWIDERSTAENDE 600
10.5 ENTWURFSZENTRIERUNG, TOLERANZVERHALTEN, MATCHING 600
10.5.1 ENTWURFSZENTRIERUNG 600
10.5.2 TOLERANZVERHALTEN, MATCHING 602
10.5.3 COMMON-CENTROID-LAYOUT 603
10.5.4 LAYOUT-STRUKTUREN 606
10.5.5 DESIGN-EMPFEHLUNGEN 606
10.6 KAPAZITAETEN 608
10.6.1 POLY-POLY KONDENSATOR 611
10.6.2 MULTI METALL KONDENSATOR 613
10.6.3 ZUSAMMENFASSUNG 615
10.7 INTEGRIERTE INDUKTIVITAETEN 615
10.8 INTEGRIERTE LEITUNGEN 616
10.8.1 ALLGEMEINES LEITUNGSMODELL 616
10.8.2 MODELL DER INTEGRIERTEN LEITUNG 617
10.8.3 BEISPIEL EINER TYPISCHEN SIGNALLEITUNG 619
10.8.4 LEITUNGSKOPPLUNG 621
10.8.5 ZUSAMMENFASSUNG 622
10.9 SIGNAL-UEBERTRAGUNG, *ELMORE-DELAY 622
10.9.1 KONVENTIONELLE DEFINITIONEN 622
10.9.2 *ELMORE-DELAY 623
10.10 INTEGRIERTE MOS-FELDEFFEKTTRANSISTOREN 629
10.10.1 NMOS-FET AUFBAU UND MODELL (DC) 630
10.10.2 ZUSAMMENFASSUNG: NMOS-MODELL LEVEL 1 635
10.10.3 PMOS-FET AUFBAU UND MODELL (DC) 635
10.10.4 ZUSAMMENFASSUNG: PMOS-MODELL LEVEL 1 637
10.11 MODELLERWEITERUNGEN FUER INTEGRIERTE MOSFETS 637
10.11.1 BODY EFFEKT (SUBSTRATSTEUEREFFEKT) 637
10.11.2 TEMPERATURVERHALTEN 638
10.11.3 SUBTHRESHOLD (UNTERSCHWELLSTROM) VERHALTEN 638
10.11.4 KURZKANAL EFFEKTE 639
10.11.5 SPICE DC-MODELL 642
10.11.6 VERGLEICH LANG-, KURZKANAL-TRANSISTOREN UND MOS-MODELLE ... 643
10.11.7 KAPAZITAETSMODELL 645
10.11.8 KAPAZITAETS-PARAMETER IM SPICE MODELL 648
10.11.9 DYNAMISCHES SPICE-GROSSSIGNALMODELL 648
INHALTSVERZEICHNIS XV
10.11.10 KLEINSIGNAL-(AC-) MODELL 649
10.11.11 MOS-FET LAYOUT 650
10.12 DIGITALE BASISZELLEN 651
10.12.1 ALLGEMEINES SCHALTERMODELL DES MOS-FET (SWITCH MODEL) 651
10.12.2 LOGIK-SCHALTERMODELL DES MOS-FET (LOGIC SWITCH MODEL),
(TAB. 10.11) 652
10.12.3 KOMPLENTAERE SCHALTUNGSSTRUKTUR BEI CMOS LOGIKGATTERN 652
10.12.4 BEISPIELE VON CMOS LOGIKGATTERN 654
10.12.5 DIMENSIONIERUNG VON CMOS LOGIKGATTERN 657
10.12.6 DIMENSIONIERUNG BELIEBIGER LOGIKGATTER 661
10.12.7 EIN-, AUSGANGS-, LASTKAPAZITAETEN 662
10.12.8 VERLUSTLEISTUNG 663
10.12.9 TRANSMISSION-GATE (CMOS-SIGNALSCHALTER) 664
10.12.10 TRANSFER-GATE (MOS-SIGNALSCHALTER) 666
10.12.11 MULTIPLEXER 667
10.12.12 D-FLIP-FLOP 667
10.13 DESIGN EINER DIGITALEN ZELLBIBLIOTHEK 670
10.13.1 KONZEPT, VORUEBERLEGUNGEN ZUR ZELL-GEOMETRIE 671
10.13.2 STANDARD-INVERTER INVL 672
10.13.3 RINGOSZILLATOR RINGO5 681
10.13.4 NAND-STANDARDZELLE NANDL 683
10.13.5 NOR-STANDARDZELLE NORL 687
10.13.6 D-FLIP-FLOP STANDARD-, MAKRO-ZELLE (KOMPAKTDESIGN) DFFL 690
10.13.7 ZUSAMMENFASSUNG, DATENBLAETTER 696
LITERATURVERZEICHNIS 699
SACHVERZEICHNIS 701
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