Elektrische Nachrichtentechnik

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1 DR.-ING. HEINRICH SCHRÖDER Dozent DIPL-ING. GERHARD FELDMANN Doze nt DR.-ING. GÜNTHER ROMMEL Dozent Elektrische Nachrichtentechnik III. Band GRUNDLAGEN DER IMPULSTECHNIK UND IHRE ANWENDUNG BEIM FERNSEHEN HÜTHIG UND PFLAUM VERLAG GMBH & CO FACHLITERATUR KG MÜNCHEN / HEIDELBERG

2 INHALT A. Grundlagen der Impulstechnik 1. Impulse, ihre Übertragungsschaltungen und Verzerrungen 1. Grundbegriffe 17 a) Grenzfrequenz, Zeitkonstante und Impulsanstiegzeit b) Endliche Flankensteilheit und Dachschräge 19 c) Hochpaß- und Tiefpaßschaltungen Einfache Schaltvorgänge 21 a) Schaltvorgänge an RC- und RL-Gliedern 21 oe) Einzelimpuls 23 Erzeugung eines Impulses 23 Abhängigkeit der Impulsform vom Verhältnis T/(J 26 Flankensteilheit und Zeitkonstante 30 RC- und CR-Schaltungen bei Ansteuerung mit exponentiell und linear sich ändernden Spannungen 38 ß) Periodische Impulse 42 CR-Sehaltung 42 RC-Schaltung 44 b) Differenzierende und integrierende Schaltungen 46 a) Differenzierglieder. 46 ß) Integrierglieder 51 y) Anwendungen 53 c) Ohmscher Spannungsteiler mit teilweiser kapazitiver Überbrückung 55 d) Kapazitiver Spannungsteiler mit teilweiser ohmscher Überbrückung 62 e) Kompensierter Spannungsteiler 64 7

3 IL Impulsverstärker 1. Linearverstärker, Verstärker für digitale Rechenanlagen, Operationsverstärker Röhrenverstärker 70 a) Statische Röhrenkapazitäten 70 b) Einstufiger Verstärker in normaler Katodenbasisschaltung 71 a) Wirkung einer anodenseitigen Belastungskapazität ß) Wirksame Gitter/Anoden-Kapazität 75 y) Einfluß des Katodenkondensators 78 ö) Einfluß des Schirmgitterkondensators 80 e) Einfluß des Siebkondensators 80 f) Zusammenhang zwischen Verstärkung und Anstiegzeit. 81 c) Katodenverstärker 83 ct.) Verstärkung und Eingangswiderstand 83 ß) Arbeitspunkt und Aussteuerungsbereich des einfachen Katodenfolgers 85 y) Erweiterung des Aussteuerungsbereichs 88 Abstützen des Katodenwiderstands an negativer Hilfsspannungsquelle 88 Hochziehen des Gitters 93 Entwurf eines Katodenfolgers mit der unteren Grenzfrequenz Null 97 8) Wirksame Eingangskapazität 102 e) Katodenfolger mit kapazitiver Belastung 104 ) Katodenverstärker mit gesteuerter Katodenwiderstandsröhre (White-Katodenfolger) 114 d) Katodengekoppelte Verstärker 122 a) Katodengekoppelter Verstärker als Grundelement eines Linearverstärkers mit der unteren Grenzfrequenz Null. 122 ß) Symmetrie und Verstärkung 126 y) Katodengekoppelte Verstärker als Differenzverstärker e) Eisenlose Ausgangsstufe Transistorverstärker 146 a) Verhalten des Transistors bei hohen Frequenzen 146 a) Ersatzschaltbild des Transistors nach Giacoletto ß) Grenzfrequenzen 152 Grenzfrequenz fß 152 Grenzfrequenz f x 154 Transitfrequenz / T oder ß = 1 -Frequenz fß^ 155 Steilheitsgrenzfrequenz / y21e oder / yfe 156 8

4 y) Vierpoldarstellung des Transistors mit Leitwertparametern 158 Betrieblicher Eingangsleitwert y^ betr = i x \u x 160 Betrieblicher Ausgangsleitwert y Q betr = ä 2 /u Betriebliche Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung ö) Zusammenhang zwischen den Größen des physikalischen und des Vierpol-Ersatzschaltbildes 162 b) Lineare Impulsverstärker mit Transistoren 165 a) Breitbandverstärker in Emitterschaltung 165 ß) Transistorverstärker mit Gegenkopplung 176 Verbesserung der Konstanz der Verstärkung durch Gegenkopplung 176 Grundschaltungen der Gegenkopplung 178 Stromgegengekoppelte Transistorstufe 181 Spannungsverstärkung v u 182 Stromverstärkung v t 183 Eingangswiderstand E- m 184 Ausgangsseitiger Innenwiderstand R Einfluß des Generatorwiderstands B G 185 Transistorstufe mit Spannungsgegenkopplung nach Bild 120(b) 187 Eingangswiderstand H in 189 Stromverstärkung v' { 190 Spannungsverstärkung v' n 191 Ausgangsseitiger Innenwiderstand R' y) Transistorverstärkerstufe in Kollektorschaltung Einfacher Emitterfolger 193 Allgemeine Eigenschaften 193 Ubertragungs- und Betriebsgleichungen des einfachen Emitterfolgers 194 Betriebsstromverstärkung 196 Betriebsspannungsverstärkung 196 Betrieblicher Eingangswiderstand 197 Betrieblicher ausgangsseitiger Innenwiderstand 197 Ermitteln der elektrischen Daten eines einfachen Emitter - folgers 199 Einfacher Emitterfolger mit Hilfsspannung., 206 Emitterfolger mit erhöhtem Eingangswiderstand (Bootstrap- Verstärkerstufe) 210 Allgemeine Eigenschaften 210 Ubertragungs- und Betriebsgleichungen 212 Ermitteln der Betriebsdaten für die Schaltung nach Bild Kaskadenschaltung (Darlington-Schaltung) 219 Emitterfolger bei kapazitiver Belastung und Impulsbetrieb Verhalten bei kleinen Steuerspannungen 223 Verhalten bei großen Steuerspannungen 225 9

5 V. d) Zweistufiger Gleichspannungsverstärker ab 0 Hz Schaltungsaufbau 232 Eigenschaften der Schaltung 233 Spannungsverstärkung v' H = U 2 /U Spannungsverstärkung»J = UJU Stromverstärkung v? = Ijl Eingangswiderstand S" a 235 Ausgangsseitiger Innenwiderstand R' e) Emittergekoppelte Verstärker 240 Schaltungsaufbau 240 Eigenschaften 242 Emittergekoppelte Verstärker als Differenzverstärker III. Transistoren im Schalterbetrieb 1. Ein"- und Aus"-Stellung eines Schalttransistors Dynamisches Schaltverhalten des Transistors a) Verhalten ohne Sättigung 260 a) Stromeinspeisung 260 ß) Spannungseinspeisung 263 b) Verhalten bei Sättigung 266 <x) Stromeinspeisung mit Sättigung 268 ß) Spannungseinspeisung mit Sättigung Verbesserungen im Schaltverhalten eines Schalttransistors 272 a) Vorgeschaltetes RC-Glied 272 b) Diodengegenkopplung zur Verhinderung der Übersteuerung 275 c) Schalttransistoren bei kapazitiver Belastung 279 d) Transistorverlustleistungen im Impulsbetrieb bei reeller, kapazitiver und induktiver Belastung 287 e) Datenmäßige Auslegung einer Schalttransistorstufe a) Allgemeine Annahmen 288 ß) Aufbau der Schaltung und Entwicklung der Berechnungsformeln 290 IV. Nichtlineare Impulsformung 1. Dioden in der Impulstechnik 299 a) Allgemeine Eigenschaften der Diode 299 b) Impulsverhalten der Diode Begrenzerschaltungen 305 a) Diodenbegrenzer 306 oe) Verschiedene Schaltmöglichkeiten

6 ß) Diodenbegrenzer bei kapazitiver Belastung und Impulsbetrieb 312 y) Begrenzung durch eine Z-Diode 315 d) Clipperschaltungen 315 b) Triodenbegrenzer 316 c) Pentodenbegrenzer 319 d) Begrenzer mit Transistoren 322 e) Katodengekoppelte Röhrenverstärker als zweiseitige Begrenzer 326 f) Emittergekoppelte Transistorverstärker als zweiseitige Begrenzer Klammerschaltungen (Clamps) 338 a) Klammerschaltungen ohne Vorspannung 341 b) Klammerschaltungen mit Vorspannung 346 c) Fremdgesteuerte Klammerschaltungen 347 V. Impulserzeugung 1. Sperrschwinger (Blocking Generatoren) 349 a) Transistorsperrschwinger 350 <x) Freilaufender Sperrschwinger 351 ß) Fremdgesteuerter Sperrschwinger 359 b) Röhrensperrschwinger 359 c) Anwendungen des Sperrschwingers Multivibratoren 365 a) Astabile oder freikippende Multivibratoren 365 <x) Astabile Multivibratoren mit Transistoren 366 Wirkungsweise 366 Bemessen eines einfachen astabilen Multivibrators 374 Verbesserungen an der Multivibratorschaltung 376 ß) Astabile Multivibratoren mit Röhren 378 Grundsehaltung 378 Arbeitsweise und Entwurf eines astabilen Röhrenmultivibrators 380 b) Stabile, metastabile und labile Zustände in Multivibratorschaltungen 387 c) Monostabile Multivibratoren (Univibratoren, Monoflops). 388 <x) Monostabile Multivibratoren mit Transistoren 388 Arbeitsweise 388 Berechnung und Bemessung 392 Triggerung 398 Anwendungen des Univibrators

7 ß) Monostabile Multivibratoren mit Bohren 401 Anodengekoppelte monostabile Multivibratoren 401 Katodengekoppelte monostabile Multivibratoren 403 Katodengekoppelter monostabiler Multivibrator als Impulslängenmodulator 413 d) Bistabile Multivibratoren (Flipflops) 414 a) Bistabile Multivibratoren mit Transistoren 415 Schaltung und Wirkungsweise 415 Berechnung und Bemessung. 417 Dynamisches Verhalten 425 Triggerung 427 Asymmetrische Ansteuerung 428 Symmetrische Ansteuerung 428 ß) Bistabile Multivibratoren mit Röhren 432 Schaltung und Wirkungsweise 432 Berechnung und Bemessung 433 Triggerung 438 e) Schmitt-Trigger 440 x) Schmitt-Trigger mit Transistoren 441 Arbeitsweise 441 Anforderungen an den Signalquelleninnenwiderstand 449 Anwendung 451 Bemessen der Schaltungen nach Bild 294 und Bild Berechnen und Bemessen der Schaltung nach Bild Verbesserungen am Schmitt-Trigger 461 ß) Schmitt-Trigger mit Röhren Sägezahngeneratoren 466 a) Grundlagen 466 a) Prinzip des Sägezahngenerators 467 ß) Nichtlinearität der Sägezahnspannung 468 b) Konstantstromladeschaltung 473 c) Verfahren der mitlaufenden" Spannung 482 d) Bootstrap-Schaltung 484 a.) Bootstrap-Schaltung mit Röhren 485 ß) Bootstrap-Schaltung mit Transistoren 488 e) Miller-Schaltung 492 a) Grundlagen 492 ß) Technische Verwirklichung der Miller-Schaltung y) Miller-Schaltung mit Röhren 498 Wirkungsweise 498 Auslegung für fallenden Sägezahn 503 Bremsgittergesteuerte Miller-Schaltung 507 Steigende Sägezahnspannungen

8 <5) Miller-Schaltung mit Transistoren 514 Wirkungsweise 514 Verbesserung der Miller-Schaltung mit Transistoren 522 Miller-Schaltung mit Ausgangsstufe in Kollektorschaltung Steuerung der Miller-Schaltung über Schalttransistoren TL Begriffe und Berechnungsverfahren zum Impulsverhalten linearer Schaltungen 1. Bestimmung des Ausgangssignals einer Schaltung für ein beliebiges Eingangssignal mit Hilfe der Übergangsfunktion 536 a) Verfahren 536 b) Anwendungen des Verfahrens 542 a) RC- und CR-Schaltungen 542 ß) Periodische Impulse Bestimmung des Ausgangssignals einer Schaltung für ein beliebiges Eingangssignal mit Hilfe der Übertragungsfunktion beziehungsweise der Spektralfunktion 549 a) Verfahren 549 a) Herleitung des Verfahrens und seine Erprobung an einfachen und komplizierteren Schaltungen 549 ß) Zuordnung von Übertragungsfunktion und Einheitsstoß - antwort, Fourier-Transformation 558 y) Zeitgesetz der Nachrichtentechnik 570 b) Technische Anwendungen des Verfahrens 573 a) Spannungsteiler im Tastkopf eines Oszillografen ß) Schalten von Wechselspannungen 574 y) Schwingungsmodulation 577 d) Abtasttheorem der Spektralfunktion und der Zeitfunktion Komplexe Frequenz 591 a) Definitionen und Begriffe. 591 b) Anwendungsbeispiele 599 a) Zweikreisiges symmetrisches Bandfilter 599 ß) Qualitativer Zusammenhang zwischen Eigenfrequenzen, Form der Stoßantwort und Frequenzgang einer Schaltung 606 y) Selbsterregte Schwingungen Tabelle von Zuordnungen zwischen Zeitfunktionen und Frequenzfunktionen

9 B. Anwendungen der Impulstechnik auf Probleme der Fernsehübertragung I. Rastertechnik 1. Trägheit des menschlichen Auges als Voraussetzung für die Bildzerlegung Vorgänge auf der Aufnahmeseite Mechanismus der Übertragung Vorgänge auf der Wiedergabeseite Entstehung des Bildrasters Zwischenzeilen- oder Zeilensprungverfahren Zeilenzahl Zeilen- und Bildrücklauf Dunkelsteuerung Bemessen eines Rastergenerators 624 a) Horizontaler und vertikaler Sägezahngenerator 625 b) Phasenumkehrstufe 634 c) Horizontaler und vertikaler Austastgenerator 636 d) Mischen und Begrenzen der Austastimpulse 640 e) Katodenfolger als Endstufe II. Signalaufbereitung 1. Triggern und Synchronisieren Helligkeitsmodulation der Bildröhre 654 a) Steuerungsmöglichkeiten der Bildröhre 654 b) Signalspannung am Steuergitter gl 658 c) Signalspannung an der Katode 662 d) RC-Ankopplung 666 e) Ansteuerung der Farbfernsehbildröhre Fernsehsignal 672 a) Bildinhalt (B-Signal) 672 b) Austastimpulse 674 c) Synchronisierimpulse Getastete Regelspannungserzeugung. 678 a) Gesteuerter Widerstand 681 b) Taststufe mit Transistor 686 c) Taststufe mit Röhre 687 d) Prinzip und Schaltungsauslegung der nüberlaufdiode" e) Koinzidenzschaltung als Taststufe Impulsabtrennung 692 a) Einpendeln einer Impulsreihe in Abhängigkeit vom Tastverhältnis TV und von der Zeitkonstante T 696

10 b) Berechnen und Bemessen eines Amplitudensiebs Störaustastung und Störinverter 702 a) Arbeitsweise der Störaustastung 704 b) Gewinnung des Austastimpulses aus dem Videosignal durch Amplitudenselektion 706 c) Störinverter 711 d) Impulsabtrennung in integrierten Schaltungen Impulstrennung 714 a) Differenzierglieder zur Impulstrennung 714 b) Integrierglied als Impulsbreitendiskriminator 719 c) Bedeutung der Ausgleichimpulse 721 d) Differenzierglied als Impulsbreitendiskriminator Wiedergewinnung des Gleichspannungsmittelwertes 730 a) Spitzenklemmung 733 b) Tastklemmung 735 e) Brücke als Schalter für die Tastklemmung Nachlauf Synchronisation 744 a) Einfache Phasenvergleichsschaltung 746 b) Vergleichsimpulse 749 c) Phasen- und Frequenzvergleichsschaltung 751 Schrifttum 756 Sachwörter