Mikroelektronische Filter

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1 Mikroelektronische Filter Herausgegeben von Prof. Dr. sc. techn. Hans Eigler Verlag Technik GmbH Berlin

2 Inhaltsverzeichnis Abkürzungen, Formelzeichen, Schreibweise 12 Zum Inhalt des Buches 17 Theorie, Technologie und Schaltungstechnik mikroelektronischer Filter 19 1 Abriß der Analyse und Synthese linearer Systeme Prinzipien der Signalverarbeitung und Methodenvergleich Kontinuierliche, diskrete, digitale Systeme Vergleich Grundeigenschaften linearer Modellsysteme Systembeschreibung im Zeitbereich Standardsignale - Systemreaktionen Zustandsbeschreibung im Zeitbereich Systembeschreibung im Bildbereich Transformationen Zustandsbeschreibung im Bildbereich Darstellung und Eigenschaften der Übertragungsfunktion Kanonische Strukturen Systemanalyse im Frequenzbereich Systemklassifizierung Methode Minimalphasensysteme Allpässe Allpaßhaltige Systeme Strukturklassen diskreter Systeme Abriß der Synthese linearer Systeme Synthesemethoden Entwurf von Dämpfungsfiltern Standardverfahren für kontinuierliche Filter Rekursive Diskretfilter - Standardverfahren Nichtrekursive Diskretfilter Entwurf von Diskretfiltern nach Forderungen im Zeitbereich Zusammenfassung - Ausblick 47 2 Physikalische Effekte, Technologie und Schaltungstechnik mikroelektronischer Filter Überblick über monolithische Verfahren und die Filmtechnik zur Herstellung mikroelektronischer Filter 48

3 8 Inhaltsverzeichnis 2.2 Schaltungselemente und ihre Modelle Bipolare Transistoren MOS-Feldeffekttransistoren Passive Schaltungselemente Einige Grundzüge der Schaltungstechnik mikroelektronischer Filter Einführung Bipolare Schaltungstechnik Schaltungstechnik mit unipolaren Transistoren 62 Abtastanalogfilter 65 3 Abtastanalogfilter - Arten, ihre Entwicklung und die wichtigsten Beziehungen zu ihrer Beschreibung Beschreibung Geschichte Arten 68 4 Schalterkondensatorfilter Einleitung SC-Prinzip und die Anwendung in Integratoren Nachbildung ohmscher Widerstände durch Schalterkondensatoranordnungen Schalterkondensatorintegratoren Entwurf von SC-Filtern aus LC-Abzweigstrukturen Entwurfsablauf Frequenztransformationen LC-äquivalente Schaltung Umsetzung des Signalflußbildes in eine SC-Integratorschaltung Probleme der Vor-und Nachfilterung Zusammenstellung von Entwurfsregeln für SC-Integratorfilter Entwurfskonzepte mit SC-Zweipolnachbildungen Analyse von SC-Netzwerken mit der Theorie der Mehrkanalimpulssysteme Einführung Zur Anwendung der Z-Transformation Prinzip der SC-Netzwerkanalyse Analyse von SC-Netzwerken mit beliebiger Anzahl von Schaltphasen Anwendung des Konzepts der Zustandsgieichungen Verhalten im Frequenzbereich Analyse von Integratorfiltern mit zwei Schaltphasen Übertragungsverhalten des SC-Integrators Beschreibung des allgemeinen Integratorfilters Analyse im Frequenzbereich Rechnergestützter Entwurf von SC-Filtern Entwurf mit realen Bauelementen Zur Anwendung der iterativen Optimierung 121

4 Inhaltsverzeichnis 9 5 Ladungsgekoppelte Filter Physikalisches Prinzip und Struktur von ladungsgekoppelten Bauelementen Wirkungsweise von CCD Betriebsarten von CCD-Schiebeketten Eingabe, Ausgabe, Lesen der Ladung und die Manipulation von Ladungspaketen Ladungseingabe Auslesen der Ladung aus dem Schieberegister Wichtung der Ladung Ladungsaufteilung, Richtungsumkehr und Summation der Ladung im Ladungsbereich Zusammenstellung physikalischer Größen von ladungsgekoppelten Bauelementen mit ihrem Einfluß auf die Kenndaten von Filtern Allgemeines zur Dimensionierung Ladungs-Spannungs-Beziehungen, Oberflächenpotential und maximale Signalladung Dunkelstromdichte Ladungsträgertransportvorgänge Übertragungsverlust je Ladungsübertragung Analoge Kenndaten eines CCD Anwendung von CCD als Filter und bei der Spektralanalyse Allgemeines Schiebeketten und Transversalfilter CCD-Rekursivfilter Entwurf von CCD-Filtern-Grundlagen Aufgabenstellung beim Entwurf Approximation von Transversalfiltern Approximation rekursiver Filter Simulationsverfahren, numerische Methoden, Optimierung Allgemeines zur Anwendung von Rechnern und über Näherungslösungen CCD-Transversalfilter CCD-Rekursivfilter Entwurfsbeispiele für CCD-Filter Auswahl der Beispiele Entwurf des MFC-Transversalfilters CCDMF Konzeption Approximation des Frequenzgangs Synthese Entwurf einer 50-Hz-Sperre als Ladungsrückführungsfilter Berechnung von Ladungsnetzwerken 181 Digitalfilter und digitale Signalprozessoren Schaltungstechnik digitaler Filter Einführung Struktur digitaler Filter und digitale Filteralgorithmen Übersichtsschaltplan 186

5 10 Inhaltsverzeichnis Abtastung und Quantisierung Klassifizierung und Beschreibung digitaler Filter Quantisierungseffekte Quantisierungsrauschen bei nichtlinearer Signalkodierung Digitalfilteralgorithmen Rechenalgorithmen und Effizienz Algorithmen für die adaptive Filterung Grundsätze für den Entwurf sowie Schaltungstechnik digitaler Filter und Geräte der digitalen Signalverarbeitung Digitale Filterprozessoren, Entwurfsbesonderheiten Mikroprozessoren und Mikrodatenverarbeitungsanlagen Speicher Analog-Digital-und Digital-Analog-Umsetzer Digitale Signalprozessoren Operatoren Digitale Signalprozessoren mit analogen Eingabe-Ausgabe-Einheiten Architektur digitaler Signalprozessoren 214 Filter für sehr hohe Frequenzen Mikrostreifenleitungsfilter Einleitung Mikrostreifenleitungsfilter, Strukturen und Syntheseprobleme Mathematisches Modell eines Mehrleitersystems mit gekoppelten Leitungen Äquivalente Modendarstellung für Kamm-und Gitterfilter Selektive Eigenschaften kanonischer Glieder Theorie Vollständig angeschlossene Gitter-und Kammfilter Selektive Eigenschaften von Gitterfiltern aus Mikrostreifenleiterabschnitten Einleitung Äquivalente Modendarstellung Breitbandige Übertragungsfunktionen Übertragungsfunktion mit zwei Durchlaßbereichen Spektrum parasitärer Durchlaßbereiche Analyse und Synthese breitbandiger Filter aus parallelen Haarnadelresonatoren Allgemeines Struktur und Ersatzschaltung des Mikrostreifenleitungsfilters Zusammenhang mit dem NF-Bezugsfilter Berechnung eines zusammengesetzten Gliedes eines Mikrostreifenleitungsfilters Akustische Oberflächenwellenfilter (AOW-Filter) Mechanische Frequenzselektion AOW-Anregung Notwendigkeit Wellentypen 260

6 Inhaltsverzeichnis Piezoelektrische Wandlung Substratmaterial Prinzipien der AOW-Bauelemente Grundlagen Transversalfilter Bandpässe Dispersive Filter Programmierbare Transversalfilter Verzögerungsleitungen Resonatoren Komplexe Signalverarbeitungsbauelemente Bandfilterentwurf Übersicht und Grundlagen Entwurf mit Fensterfunktionen Entwurf nach dem Optimierungsprinzip der biologischen Evolution Optimierungsstrategie Optimierung von Interdigitalwandlern Sekundäreffekte und Layout Fernseh-ZF-FilterMSF38, Technologie Einordnung und Abgrenzung Zyklus Zyklus Entwicklungstrend Optische Filter Wirkungsweise Einfache optische Schicht Verwendung periodischer Strukturen Eigenschaften Kantenfilter Bandfilter Syntheseverfahren Aufgaben der Filtersynthese Synthese mittels Viertelwellenlängentransformatoren Analytische Syntheseverfahren Numerische Syntheseverfahren Allgemeine Probleme Verfahren ohne Startsystem Verfahren mit Startsystem Anwendung und Aufbau 313 Literaturverzeichnis 316 Sachwörterverzeichnis 328