Inhaltsverzeichnis Teil I. Grundlagen 1. Diode

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1 Teil I. Grundlagen 1. Diode VerhalteneinerDiode Kennlinie Beschreibung durch Gleichungen Schaltverhalten SchaltverhaltenbeiohmscherLast Schaltverhalten bei ohmsch-induktiver Last Kleinsignalverhalten GrenzdatenundSperrströme Grenzspannungen Grenzströme Sperrstrom MaximaleVerlustleistung ThermischesVerhalten TemperaturabhängigkeitderDiodenparameter AufbaueinerDiode Einzeldiode InnererAufbau Gehäuse IntegrierteDiode InnererAufbau Substrat-Diode Unterschiede zwischen integrierten pn- und Schottky-Dioden ModellfüreineDiode StatischesVerhalten Bereich mittlerer Durchlassströme WeitereEffekte Bahnwiderstand DynamischesVerhalten Sperrschichtkapazität Diffusionskapazität VollständigesModelleinerDiode Kleinsignalmodell StatischesKleinsignalmodell DynamischesKleinsignalmodell Spezielle Dioden und ihre Anwendung Z-Diode KennlinieimDurchbruchbereich Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

2 xii Inhaltsverzeichnis Spannungsbegrenzung mit Z-Dioden pin-diode Kapazitätsdiode Brückengleichrichter Mischer Bipolartransistor VerhalteneinesBipolartransistors Kennlinien Ausgangskennlinienfeld Übertragungskennlinienfeld Eingangskennlinienfeld Stromverstärkung Beschreibung durch Gleichungen Early-Effekt Basisstrom und Stromverstärkung Großsignalgleichungen Verlauf der Stromverstärkung Gummel-Plot DarstellungdesVerlaufs BestimmungderWerte Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten Bestimmung des Arbeitspunkts Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter Kleinsignalersatzschaltbild Vierpol-Matrizen Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung GrenzdatenundSperrströme Durchbruchsspannungen Durchbruch2.Art Grenzströme Sperrströme MaximaleVerlustleistung ZulässigerBetriebsbereich ThermischesVerhalten ThermischesErsatzschaltbild ThermischesVerhaltenbeistatischemBetrieb ThermischesVerhaltenbeiPulsbetrieb TemperaturabhängigkeitderTransistorparameter AufbaueinesBipolartransistors Einzeltransistoren InnererAufbau Gehäuse KomplementäreTransistoren IntegrierteTransistoren InnererAufbau ModellefürdenBipolartransistor StatischesVerhalten... 60

3 xiii DasEbers-Moll-Modell DasTransportmodell WeitereEffekte Stromverstärkung bei Normalbetrieb Substrat-Dioden Bahnwiderstände DynamischesVerhalten Sperrschichtkapazitäten Diffusionskapazitäten Gummel-Poon-Modell Kleinsignalmodell StatischesKleinsignalmodell DynamischesKleinsignalmodell GrenzfrequenzenbeiKleinsignalbetrieb ZusammenfassungderKleinsignalparameter Rauschen Rauschdichten Rauschquellen eines Bipolartransistors Äquivalente Rauschquellen Ersatzrauschquelle und Rauschzahl RauschzahleinesBipolartransistors BestimmungdesBasisbahnwiderstands Grundschaltungen Emitterschaltung Übertragungskennlinie der Emitterschaltung Kleinsignalverhalten der Emitterschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung Arbeitspunkteinstellung FrequenzgangundobereGrenzfrequenz Zusammenfassung Kollektorschaltung Übertragungskennlinie der Kollektorschaltung KleinsignalverhaltenderKollektorschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung FrequenzgangundobereGrenzfrequenz Impedanztransformation mit der Kollektorschaltung Basisschaltung Übertragungskennlinie der Basisschaltung KleinsignalverhaltenderBasisschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung

4 xiv Inhaltsverzeichnis FrequenzgangundobereGrenzfrequenz Darlington-Schaltung KennlinieneinesDarlington-Transistors Beschreibung durch Gleichungen Verlauf der Stromverstärkung Kleinsignalverhalten Schaltverhalten Feldeffekttransistor VerhalteneinesFeldeffekttransistors Kennlinien Ausgangskennlinienfeld Abschnürbereich Übertragungskennlinienfeld Eingangskennlinien Beschreibung durch Gleichungen VerlaufderKennlinien Steilheitskoeffizient AlternativeDarstellung Kanallängenmodulation FeldeffekttransistoralssteuerbarerWiderstand Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten Arbeitspunkt Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter Kleinsignalersatzschaltbild Vierpol-Matrizen Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung GrenzdatenundSperrströme Durchbruchsspannungen Grenzströme Sperrströme MaximaleVerlustleistung ZulässigerBetriebsbereich ThermischesVerhalten TemperaturabhängigkeitderFet-Parameter Mosfet Sperrschicht-Fet AufbaueinesFeldeffekttransistors IntegrierteMosfets Aufbau CMOS Bulk-Dioden Latch-up Mosfets für höhere Spannungen Einzel-Mosfets Aufbau ParasitäreElemente Kennlinien von vertikalen Leistungs-Mosfets

5 xv Sperrschicht-Fets Gehäuse ModellefürdenFeldeffekttransistor StatischesVerhalten Level-1-Mosfet-Modell Bahnwiderstände Vertikale Leistungs-Mosfets Sperrschicht-Fets DynamischesVerhalten Kanalkapazitäten Überlappungskapazitäten Sperrschichtkapazitäten Level-1-Mosfet-Modell Einzel-Mosfets Sperrschicht-Fet-Modell Kleinsignalmodell Statisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich Dynamisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich GrenzfrequenzenbeiKleinsignalbetrieb ZusammenfassungderKleinsignalparameter Rauschen Rauschquellen eines Feldeffekttransistors Äquivalente Rauschquellen Ersatzrauschquelle und Rauschzahl RauschzahleinesFets Vergleich der Rauschzahlen von Fet und Bipolartransistor Grundschaltungen Sourceschaltung Übertragungskennlinie der Sourceschaltung KleinsignalverhaltenderSourceschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Sourceschaltung mit Stromgegenkopplung Sourceschaltung mit Spannungsgegenkopplung Arbeitspunkteinstellung FrequenzgangundGrenzfrequenz Zusammenfassung Drainschaltung Übertragungskennlinie der Drainschaltung KleinsignalverhaltenderDrainschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung FrequenzgangundGrenzfrequenz Gateschaltung Übertragungskennlinie der Gateschaltung

6 xvi Inhaltsverzeichnis KleinsignalverhaltenderGateschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung FrequenzgangundGrenzfrequenz Verstärker Schaltungen Grundlagen KennlinienderTransistoren Skalierung Normierung KomplementäreTransistoren Auswirkung fertigungsbedingter Toleranzen Dioden StromquellenundStromspiegel PrinzipeinerStromquelle Einfache Stromquellen für diskrete Schaltungen EinfacherStromspiegel StromspiegelmitKaskode Kaskode-Stromspiegel Wilson-Stromspiegel DynamischesVerhalten WeitereStromspiegelundStromquellen Stromspiegel für diskrete Schaltungen Kaskodeschaltung KleinsignalverhaltenderKaskodeschaltung Frequenzgang und Grenzfrequenz der Kaskodeschaltung Differenzverstärker Grundschaltung Gleichtakt- und Differenzverstärkung EigenschaftendesDifferenzverstärkers UnsymmetrischerBetrieb Übertragungskennlinien des npn-differenzverstärkers Übertragungskennlinien des n-kanal-differenzverstärkers DifferenzverstärkermitaktiverLast Offsetspannung eines Differenzverstärkers KleinsignalverhaltendesDifferenzverstärkers Nichtlinearität Arbeitspunkteinstellung Frequenzgänge und Grenzfrequenzen des Differenzverstärkers Zusammenfassung Impedanzwandler EinstufigeImpedanzwandler MehrstufigeImpedanzwandler

7 xvii KomplementäreImpedanzwandler Schaltungen zur Arbeitspunkteinstellung UBE-Referenzstromquelle PTAT-Referenzstromquelle TemperaturunabhängigeReferenzstromquelle Referenzstromquellen in MOS-Schaltungen Arbeitspunkteinstellung in integrierten Verstärkerschaltungen Eigenschaften und Kenngrößen Kennlinien Kleinsignal-Kenngrößen Arbeitspunkt Kleinsignalgrößen Linearisierung Kleinsignal-Kenngrößen KleinsignalersatzschaltbildeinesVerstärkers Verstärker mit Rückwirkung Berechnung mit Hilfe des KleinsignalersatzschaltbildsderSchaltung ReihenschaltungvonVerstärkern Nichtlineare Kenngrößen Reihenentwicklung der Kennlinie im Arbeitspunkt Gültigkeitsbereich der Reihenentwicklung Ausgangssignal bei sinusförmiger Ansteuerung Klirrfaktor Kompressionspunkt Intermodulation und Intercept-Punkte ReihenschaltungvonVerstärkern Betriebsfälle bei der Ermittlung der nichtlinearen Kenngrößen Messung der nichtlinearen Kenngrößen Rauschen Rauschquellen und Rauschdichten eines Verstärkers Ersatzrauschquelle und spektrale Rauschzahl Optimale Rauschzahl und optimaler Quellenwiderstand Rauschzahl einer Reihenschaltung von Verstärkern Signal-Rausch-Abstand und mittlere Rauschzahl OptimierungderRauschzahl Rauschanpassung Äquivalente Rauschquellen der Grundschaltungen Operationsverstärker Übersicht Operationsverstärker-Typen Prinzip der Gegenkopplung DernichtinvertierendeVerstärker DerinvertierendeVerstärker DernormaleOperationsverstärker(VV-OPV)

8 xviii Inhaltsverzeichnis DasPrinzip Universalverstärker Betriebsspannungen Single-Supply-Verstärker Phasenumkehr Rail-to-Rail-Verstärker Breitband-Operationsverstärker Frequenzgang-Korrektur Grundlagen UniverselleFrequenzgang-Korrektur Pole-Splitting AngepassteFrequenzgangkorrektur Slew-Rate KapazitiveLast InterneLastkorrektur ZweipoligeFrequenzgangkorrektur ParametervonOperationsverstärkern Differenz- und Gleichtaktverstärkung Offsetspannung Eingangsströme Eingangswiderstände Ausgangswiderstand BeispielfürstatischeFehler Bandbreite Rauschen Der Transkonduktanz-Verstärker (VC-OPV) InnererAufbau Typische Anwendung DerTransimpedanzverstärker(CV-OPV) InnererAufbau Frequenzverhalten Typische Anwendungen DerStrom-Verstärker(CC-OPV) InnererAufbau Typische Anwendung Anwendungen mit Stromgegenkopplung Anwendungen mit Spannungsgegenkopplung Vergleich PraktischerEinsatz Abblocken der Betriebsspannungen Schwingneigung Dämpfung Gegenkopplungswiderstände Verlustleistung Kühlung Übersteuerung Eingangsschutz

9 xix Typen Universaltypen Präzisionstypen RauscharmeTypen Rail-to-Rail-OutputVerstärker Rail-to-Rail-IOVerstärker Hohe Bandbreite DifferentiellerAusgang Hohe Ausgangsspannung HoherAusgangsstrom CV-Operationsverstärker VC-Operationsverstärker CC-Operationsverstärker Klassifizierung Digitaltechnik Grundlagen Die logischen Grundfunktionen AufstellunglogischerFunktionen Das Karnaugh-Diagramm Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Statische und dynamische Daten Transistor-Transistor-Logik (TTL) Open-Collector-Ausgänge Tristate-Ausgänge KomplementäreMOS-Logik(CMOS) CMOS-Inverter OffeneEingänge Statische Ladungen CMOS-Gatter Transmission-Gate Emittergekoppelte Logik (ECL) PECL-Gatter NECL-Gatter Wired-OR-Verknüpfung Schaltzeiten Verlustleistung CurrentModeLogik(CML) CML-Gatter CML-Flip-Flop LowVoltageDifferentialSignaling(LVDS) Vergleich der Logikfamilien Verbindungsleitungen Hazards Kopplung von Logikfamilien Betriebsspannungen Schaltnetze (Kombinatorische Logik) Multiplexer

10 xx Inhaltsverzeichnis aus-n-Decoder Demultiplexer Multiplexer Schiebelogik(BarrelShifter) Prioritätsdecoder KombinatorischerZähler Paritätsgenerator Komparatoren Zahlendarstellung PositiveganzeZahlenimDualcode Oktalcode Hexadezimalcode BCD-Code GanzeDualzahlenmitbeliebigemVorzeichen DarstellungnachBetragundVorzeichen Darstellung im Zweierkomplement (Two s Complement) Vorzeichenergänzung(SignExtension) Offset-Dual-Darstellung(OffsetBinary) Festkomma-Dualzahlen Gleitkomma-Dualzahlen Addierer Halbaddierer Volladdierer ParalleleÜbertragslogik Subtraktion Zweierkomplement-Überlauf Addition und Subtraktion von Gleitkomma-Zahlen Multiplizierer Multiplikation von Festkomma-Zahlen Multiplikation von Gleitkomma-Zahlen Schaltwerke (Sequentielle Logik) Flip-Flops TransparenteFlip-Flops Flip-Flop Grundschaltung Taktzustandgesteuerte RS-Flip-Flops Taktzustandgesteuerte D-Flip-Flops Flip-FlopsmitZwischenspeicherung JKMaster-SlaveFlip-Flops DMaster-SlaveFlip-Flops ZeitverhaltenvonFlip-Flops VergleichJK-undD-Flip-Flops Metastabilität Flip-FlopsfürZähler Dualzähler AsynchronerDualzähler SynchroneDualzähler

11 xxi Vorwärts-Rückwärts-Zähler ZählermitumschaltbarerZählrichtung Zähler mit Vorwärts- und Rückwärts-Eingängen SynchroneBCD-Zähler Vorwahlzähler Schieberegister Grundschaltung SchieberegistermitParalleleingabe Erzeugung von Pseudozufallsfolgen AufbereitungasynchronerSignale EntprellungmechanischerKontakte FlankengetriggertesRS-Flip-Flop SynchronisationvonasynchronenDaten SynchronerZeitschalter Synchroner Änderungsdetektor SynchronerTaktschalter SystematischerEntwurfvonSchaltwerken Zustandsdiagramm EntwurfsbeispielfüreinenDualzähler EntwurfsbeispielfüreinenumschaltbarenZähler Halbleiterspeicher ProgrammierbareLogik ProgrammierbareLogischeBauelemente(PLDs) Typenübersicht Anwender-programmierbareGate-Arrays Typenübersicht Computer-gestützterPLD-Entwurf Datenspeicher StatischeRAMs Zeitbedingungen DynamischeRAMs FlashSpeicher Fehler-Erkennung und -Korrektur Paritätsbit Hamming-Code First-In-First-OutMemories(FIFO) Prinzip StandartFIFOs FIFO-RealisierungmitStandard-RAMs Teil II. Anwendungen 10. Analogrechenschaltungen Addierer Subtrahierer Rückführung auf die Addition SubtrahierermiteinemOperationsverstärker BipolaresKoeffizientenglied

12 xxii Inhaltsverzeichnis 10.4 Integratoren InvertierenderIntegrator Anfangsbedingung Summationsintegrator NichtinvertierenderIntegrator Integrator für hohe Frequenzen Differentiatoren Prinzipschaltung PraktischeRealisierung Differentiator mit hohem Eingangswiderstand Lösung von Differentialgleichungen Funktionsnetzwerke Logarithmus Exponentialfunktion Bildung von Potenzfunktionen über Logarithmen Analog-Multiplizierer Multiplizierer mit logarithmierenden Funktionsgeneratoren Steilheitsmultiplizierer Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter Spannungsgesteuerte Spannungsquellen Ideale Spannungsquelle Spannungsquelle mit negativem Ausgangswiderstand Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen StromquellenfürpotentialfreieVerbraucher StromquellenfürgeerdeteVerbraucher Transistor-Präzisionsstromquellen Transistor-Stromquellen für bipolare Ausgangsströme SchwimmendeStromquellen StromgesteuerteStromquellen DerNIC(NegativeImpedanceConverter) DerGyrator TransformationvonZweipolen TransformationvonVierpolen DerZirkulator Aktive Filter Theoretische Grundlagen von Tiefpassfiltern Butterworth-Tiefpässe Tschebyscheff-Tiefpässe Bessel-Tiefpässe ZusammenfassungderTheorie Tiefpass-Hochpass-Transformation Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 1. Ordnung Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 2. Ordnung LRC-Filter Filter mit Mehrfachgegenkopplung Filter mit Einfachmitkopplung

13 xxiii 12.5 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern höherer Ordnung Tiefpass-Bandpass-Transformation Bandpassfilter 2. Ordnung Bandpassfilter 4. Ordnung Realisierung von Bandpassfiltern 2. Ordnung LRC-Filter Bandpass mit Mehrfachgegenkopplung Bandpass mit Einfachmitkopplung Tiefpass-Bandsperren-Transformation Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung LRC-Sperrfilter Aktive Doppel-T-Bandsperre AktiveWien Robinson-Bandsperre Allpässe Grundlagen Realisierung von Allpässen 1. Ordnung Realisierung von Allpässen 2. Ordnung Integratorfilter Grundschaltung Integratorfilter für hohe Frequenzen IntegratorfiltermitzusätzlichemHochpass-Ausgang Integratorfilter mit zusätzlichem Bandsperren-Ausgang Elektronische Steuerung der Filterparameter Filter mit einstellbaren Koeffizienten Switched-Capacitor-Filter Grundprinzip DerSC-Integrator SC-Filter 1. Ordnung SC-Filter 2. Ordnung Integrierte Realisierung von SC-Filtern Allgemeine Gesichtspunkte beim Einsatz von SC-Filtern Typenübersicht Regler Grundlagen Komponenten eines Regelkreises Beispielstrecke Regler-Typen P-Regler PI-Regler PID-Regler Kompensator RealisierungderRegler Regelung nichtlinearer Strecken Statische Nichtlinearität Dynamische Nichtlinearität Signalgeneratoren Rechteckformung

14 xxiv Inhaltsverzeichnis Komparator Fensterkomparator Schmitt-Trigger Impulserzeugung Erzeugung kurzer Impulse Erzeugung längerer Impulse Rechteckgeneratoren Funktionsgeneratoren EinfacheRechteckgeneratoren Timer als Schmitt-Trigger Operationsverstärker als Schmitt-Trigger Gatter als Schmitt-Trigger Rechteckgeneratoren mit hoher Frequenzgenauigkeit Sinusschwingungen Arbiträrgenerator DirekteDigitaleSynthese Leistungsverstärker Emitterfolger als Leistungsverstärker Komplementäre Emitterfolger Komplementäre Emitterfolger in B-Betrieb Komplementäre Emitterfolger in AB-Betrieb Erzeugung der Vorspannung Komplementäre Darlington-Schaltungen Komplementäre Drainschaltungen Komplementäre Sourceschaltungen Strombegrenzung Spannungsabhängige Strombegrenzung Vier-Quadranten-Betrieb Dimensionierung einer Leistungsendstufe Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstärkung Breitband-Ansteuerschaltung Erhöhung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstärker Eine Betriebsspannung Wechselspannungskopplung Brückenschaltung Getaktete Leistungsverstärker Stromversorgung EigenschaftenvonNetztransformatoren Netzgleichrichter Einweggleichrichter Brückengleichrichter Mittelpunkt-Schaltung Grundschaltung Doppelte Mittelpunktschaltung Lineare Spannungsregler Prinzipien PraktischeAusführung

15 xxv Einstellung der Ausgangsspannung Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust Spannungsregler für negative Spannungen Labornetzgeräte Integrierte Spannungsregler Erzeugung der Referenzspannung Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden Bandabstands-Referenz Typenübersicht Schaltregler ohne Potentialtrennung DerAbwärts-Wandler Prinzip Ausführungsbeispiel Leistungsschalter Pulsbreitenmodulation Pulsfrequenzmodulation Aufwärts-Wandler InvertierenderWandler Aufwärts-Abwärtswandler SepicKonverter Spannungswandler mit Ladungspumpe Typenübersicht Schaltregler mit Potentialtrennung Eintakt-Wandler Eintakt-Sperrwandler Eintakt-Durchflusswandler Gegentakt-Wandler Gegentakt-WandlermitParallelspeisung Gegentakt-WandlerinHalbbrückenschaltung Gegentakt-WandlerinBrückenschaltung Resonanzumrichter AktiveGleichrichtung Leistungsschalter Leistungstransistoren Gatetreiber ohne Potentialtrennung Gatetreiber mit Potentialtrennung IntegrierteGatetreiber Hochfrequenztransformatoren Verlustanalyse Leistungsfaktorkorrektur Solarwechselrichter Unterbrechungsfreie Stromversorgung Stromversorgung mit Akkus Akkutechnologien Entladung Ladung Ladegerät

16 xxvi Inhaltsverzeichnis 17. DA- und AD-Umsetzer Systemtheoretische Grundlagen QuantisierungderZeit Abtasttheorem Rückgewinnung des Analogsignals Praktische Gesichtspunkte QuantisierungderAmplitude Spannungseinheit Digital-AnalogUmsetzung Grundprinzipien der DA-Umsetzung Wägeverfahren mit geschalteten Spannungen EinsatzvonWechselschaltern Leiternetzwerk InversbetriebeinesLeiternetzwerks WägeverfahrenmitgeschaltetenStrömen DA-Umsetzer für spezielle Anwendungen VerarbeitungvorzeichenbehafteterZahlen Multiplizierende DA-Umsetzer DividierendeDA-Umsetzer GenauigkeitvonDA-Umsetzern Statische Kenngrößen Glitche Typen Analog-DigitalUmsetzer Parallelverfahren Pipelineumsetzer Wägeverfahren Zählverfahren ModifiziertesWägeverfahren Dual-Slope-Verfahren Überabtastung Delta-Sigma-Verfahren GenauigkeitvonAD-Umsetzern StatischeFehler DynamischeFehler VergleichderVerfahren Abtast-Halte-Glieder Grundlagen Transmission-GatealsSchalter Dioden-BrückealsSchalter Messschaltungen Spannungsmessung Impedanzwandler Vergrößerung der Spannungsaussteuerbarkeit MessungvonPotentialdifferenzen Subtrahierer mit beschalteten Operationsverstärkern Subtrahierer für hohe Spannungen

17 xxvii Subtrahierer mit gegengekoppelten Differenzverstärkern SubtrahiererinSC-Technik Trennverstärker(IsolationAmplifier) Strommessung Strommessung mit Shunts Potentialfreies Amperemeter mit niedrigem Spannungsabfall Strommessung auf hohem Potential StrommessungüberdasMagnetfeld Messgleichrichter(AC/DC-Converter) Messung des Betragsmittelwertes VollweggleichrichtermitgeerdetemAusgang Gleichrichtung durch Umschalten des Vorzeichens Breitband-Vollweggleichrichter MessungdesEffektivwertes EchteEffektivwertmessung(TrueRMS) Leistungsmesser MessungdesScheitelwertes MomentaneScheitelwertmessung Synchrongleichrichter Sensorik Temperaturmessung Kaltleiter auf Silizium-Basis, PTC-Sensoren Heißleiter,NTC-Sensoren Metalle als Kaltleiter, PTC-Sensoren TransistoralsTemperatursensor DasThermoelement Typenübersicht Druckmessung AufbauvonDrucksensoren BetriebtemperaturkompensierterDrucksensoren TemperaturkompensationvonDrucksensoren HandelsüblicheDrucksensoren Feuchtemessung Feuchtesensoren Betriebsschaltungen für kapazitive Feuchtesensoren Drehwinkelkodierer Übertragung von Sensorsignalen Galvanisch gekoppelte Signalübertragung Galvanisch getrennte Signalübertragung KalibrierungvonSensorsignalen KalibrierungdesAnalogsignals Computer-gestützteKalibrierung Optoelektronische Bauelemente Fotometrische Grundbegriffe Leuchtdioden Fotodiode

18 xxviii Inhaltsverzeichnis FotozellenalsEmpfänger Fotozellen zur Energiegewinnung Fototransistor Optokoppler OptischeAnzeige Flüssigkristallanzeigen Binär-Anzeige Analog-Anzeige NumerischeAnzeige Multiplex Anzeige Alpha-NumerischeAnzeige Segment-Anzeigen Punktmatrix-Anzeigen Teil III. Schaltungen der Nachrichtentechnik 21. Grundlagen NachrichtentechnischeSysteme Übertragungskanäle Leitung Feldwellenwiderstand und Ausbreitungsgeschwindigkeit Leitungswellenwiderstand Leitungsgleichung Dämpfung Kenngrößen einer Leitung VierpoldarstellungeinerLeitung LeitungmitAbschluss Streifenleitung Drahtlose Verbindung Antennen Leistungsübertragung über eine drahtlose Verbindung Frequenzbereiche Faseroptische Verbindung Lichtwellenleiter Wellenlängenbereiche Vergleich der Übertragungskanäle ReflexionsfaktorundS-Parameter Wellengrößen Darstellung mit Hilfe von Spannung und Strom Reflexionsfaktor Reflexionsfaktor-Ebene (r-ebene) Einfluss einer Leitung auf den Reflexionsfaktor Stehwellenverhältnis Wellenquelle Unabhängige Welle einer Wellenquelle Verfügbare Leistung S-Parameter

19 xxix S-Matrix MessungderS-Parameter ZusammenhangmitdenY-Parametern S-ParametereinesTransistors Ortskurven Modulationsverfahren Amplitudenmodulation DarstellungimZeitbereich DarstellungimFrequenzbereich Modulation Demodulation Frequenzmodulation DarstellungimZeitbereich DarstellungimFrequenzbereich Modulation Demodulation Digitale Modulationsverfahren EinfacheTastverfahren I/Q-Darstellung digitaler Modulationsverfahren Impulsformung Ein einfacher QPSK-Modulator Mehrfachnutzung und Gruppierung von Kanälen Multiplex-Verfahren Frequenzmultiplex Zeitmultiplex Codemultiplex Duplex-Verfahren Frequenzduplex Zeitduplex Sender und Empfänger Sender Sender mit analoger Modulation Sender mit direkter Modulation SendermiteinerZwischenfrequenz SendermitzweiZwischenfrequenzen SendermitvariablerSendefrequenz Sender mit digitaler Modulation Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen Empfänger Geradeausempfänger Überlagerungsempfänger HF-Filter Vorverstärker Vorselektion ZF-Filter Überlagerungsempfänger mit zwei Zwischenfrequenzen

20 xxx Inhaltsverzeichnis Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen Verstärkungsregelung Regelverhalten RegelbarerVerstärker(VGA) Anordnung der Verstärkungsregelung im Empfänger Pegeldetektion Digitale Verstärkungsregelung DynamikbereicheinesEmpfängers RauschzahldesEmpfängers MinimalerEmpfangspegel MaximalerEmpfangspegel Dynamikbereich Empfänger für digitale Modulationsverfahren EmpfängermitdigitalenKanalfiltern Empfänger mit ZF-Abtastung und digitalen Kanalfiltern Vergleich der Empfänger für digitale Modulationsverfahren DirektumsetzenderEmpfänger Passive Komponenten Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder Widerstand Spule Kondensator Filter LC-Filter ZweikreisigesBandfilter Filter mit Leitungen Dielektrische Filter SAW-Filter Schaltungen zur Impedanztransformation Anpassung AnpassnetzwerkemitzweiElementen Collins-Filter Anpassung mit Streifenleitungen Ankopplung Ankopplung mit kapazitivem Spannungsteiler Ankopplung mit induktivem Spannungsteiler Ankopplung mit festgekoppeltem induktivem Spannungsteiler Leistungsteiler und Hybride Leistungsteiler Verlustbehaftete Leistungsteiler mit Widerständen Wilkinson-Teiler Hybride S-ParametereinesHybrids Hybride mit Spulen und Kondensatoren

21 xxxi Hybride mit Leitungen Hochfrequenz-Verstärker IntegrierteHochfrequenz-Verstärker Anpassung Eingangsseitige Anpassung Ausgangsseitige Anpassung Rauschzahl Entwurf rauscharmer integrierter HF-Verstärker (LNA) Ohmsche Gegenkopplung bei niedrigen Frequenzen Gegenkopplung bei hohen Frequenzen HF-VerstärkermitEinzeltransistoren VerallgemeinerterEinzeltransistor Arbeitspunkteinstellung Gleichstromgegenkopplung Gleichspannungsgegenkopplung Arbeitspunktregelung AnpassungeinstufigerVerstärker Bedingungen für die Anpassung ReflexionsfaktorendesTransistors Berechnung der Anpassung Stabilität bei der Betriebsfrequenz Berechnung der Anpassnetzwerke Stabilität im ganzen Frequenzbereich Leistungsverstärkung AnpassungmehrstufigerVerstärker Anpassung mit Serien-Induktivität Neutralisation Schaltungen zur Neutralisation Leistungsverstärkung bei Neutralisation Besondere Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung AnpassungmitZirkulatoren AnpassungmitHybriden Rauschen RauschparameterundRauschzahl EntwurfeinesrauscharmenVerstärkers Breitband-Verstärker PrinzipeinesBreitband-Verstärkers AusführungeinesBreitband-Verstärkers Kenngrößen von Hochfrequenz-Verstärkern Leistungsverstärkung Klemmenleistungsgewinn Einfügungsgewinn Übertragungsgewinn Verfügbarer Leistungsgewinn VergleichderGewinn-Definitionen Gewinn bei beidseitiger Anpassung Maximaler Leistungsgewinn bei Transistoren

22 xxxii Inhaltsverzeichnis Nichtlineare Kenngrößen Betriebsbedingungen KennlinieneinesHochfrequenz-Verstärkers Kleinsignalverstärkung Kompressionspunkt Intermodulation Mischer FunktionsprinzipeinesidealenMischers Aufwärtsmischer Abwärtsmischer MischermitSpiegelfrequenz-Unterdrückung FunktionsprinzipenbeipraktischenMischern Additive Mischung Gleichungsmäßige Beschreibung Nichtlinearität PraktischeAusführung EinsatzadditiverMischer Multiplikative Mischung Gleichungsmäßige Beschreibung SchaltverhaltenderSchalter Nichtlinearität PraktischeAusführung MischermitDioden Eintaktmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild Kleinsignalverhalten Mischverstärkung Mischgewinn VergleichmitidealemSchalter NachteiledesEintaktmischers Gegentaktmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten Vor-undNachteiledesGegentaktmischers Ringmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten BreitbandigerBetrieb Kleinsignalverhalten Anpassung Mischgewinn AllgemeinerFall Vergleich von Schmalband- und Breitbandbetrieb Kenngrößen Rauschen Verfahren zur Berechnung der Rauschzahl

23 xxxiii Näherungen für Schmalband- und Breitbandbetrieb PraktischeDiodenmischer PassiveMischermitFeldeffekttransistoren Eintaktmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten NachteiledesEintaktmischers Gegentaktmischer Ringmischer IntegrierteFet-Mischer EigenschaftenvonpassivenFet-Mischern Frequenzbereich LO-Leistung Nichtlinearität Rauschen AktiveMischermitTransistoren Gegentaktmischer Berechnung des Übertragungsverhaltens Rechteckförmige LO-Spannung Sinusförmige LO-Spannung Kleinsignalverhalten Mischverstärkung Bandbreite Anpassung Mischgewinn PraktischeAusführung GegentaktmischermitÜbertragern Nachteil des Gegentaktmischers mit Transistoren Doppel-Gegentaktmischer (Gilbert-Mischer) Berechnung des Übertragungsverhaltens Kleinsignalverhalten Mischverstärkung Bandbreite Doppel-Gegentaktmischer in integrierten Schaltungen Anpassung Mischgewinn I/Q-Mischer mit Doppel-Gegentaktmischern Kenngrößen Rauschen VergleichaktiverundpassiverMischer Rauschzahl, Intercept-Punkt und Dynamikbereich Bandbreite LO-Leistung MischermitSpiegelfrequenz-Unterdrückung Phasenschieber RC-Phasenschieber RC-Polyphasen-Filter

24 xxxiv Inhaltsverzeichnis HybridealsPhasenschieber Spiegelfrequenz-Unterdrückung Oszillatoren LC-Oszillatoren LC-Resonanzkreise Verstärker mit selektiver Mitkopplung Mitkopplung mit Parallelschwingkreis Mitkopplung mit Serienschwingkreis Vergleich der Schaltungen Schleifenverstärkung Berechnung bei Verstärkern ohne Rückwirkung Berechnung bei Verstärkern mit Rückwirkung Güte der Schleifenverstärkung Übertragungsfunktion und Zeitsignale Schleifenverstärkung bei Übersteuerung NegativeWiderstände LC-Oszillatoren mit zweistufigen Verstärkern Zweistufiger LC-Oszillator mit Parallelschwingkreis Zweistufiger Oszillator mit Serienschwingkreis Zusammenfassung der wichtigen Punkte LC-Oszillatoren mit einstufigen Verstärkern Colpitts-Oszillator in Basisschaltung Colpitts-Oszillator in Kollektorschaltung Colpitts-Oszillator in Emitterschaltung Colpitts-Oszillator mit CMOS-Inverter Colpitts-Oszillator mit Differenzverstärker Eigenschaften integrierter und diskreter Colpitts-Oszillatoren Hartley-Oszillatoren Gegentaktoszillatoren Weitere Oszillatoren Oszillatoren mit Leitungen Leitungsresonatoren Ersatzschaltbild Betriebsbedingungen Berechnung der Elemente Praktische Leitungsresonatoren Leitungsparameter Schaltungen Oszillatoren mit Leitungsresonatoren Oszillatoren mit dielektrischen Resonatoren Quarz-Oszillatoren Quarz-Resonatoren Ersatzschaltbild ImpedanzundResonanzfrequenzen Frequenzabgleich Verlustleistung

25 xxxv Temperaturverhalten Schaltungen Taktoszillatoren Referenzoszillatoren AlternativeResonatoren KeramischeResonatoren Oberflächenwellen-Resonatoren Frequenzabstimmung Varaktoren BipolareVaraktoren MOS-Varaktoren Kleinsignalmodell Abstimmung Abstimmung eines Parallelschwingkreises Kennlinie Abstimmung eines Serienschwingkreises Breitband-Abstimmung Aussteuerung Modulation Amplitudenregelung RegelungundBegrenzung Regelmechanismen RegelungüberdenRuhestrom RegelungmitStromteiler Amplitudenmessung Phasenrauschen DarstellungimZeit-undimFrequenzbereich Zeitbereich Frequenzbereich Entstehung LinearerAnteil Modulations- und Konversionsanteil Frequenzteilung und Frequenzvervielfachung BetriebmiteinerPhasenregelschleife Vergleich verschiedener Oszillatoren Phasenregelschleife (PLL) Anwendungen Frequenzsynthese(Synthesizer) Träger-/Takt-Regeneration(Synchronizer) Phasen-/Frequenz-Demodulation (Demodulator) AnalogePLL Komponenten KennliniedesMischersalsPhasendetektor Phasendetektor-KonstantedesMischers Arbeitspunkt des Mischers KennliniedesVCOs VCO-Konstante

26 xxxvi Inhaltsverzeichnis Arbeitspunkt der PLL Regelungstechnisches Kleinsignalersatzschaltbild Übertragungsfunktionen Schleifenbandbreite Wahl der Schleifenbandbreite DimensionierungderBeispielschaltung VerhaltenderPLL Phasenregelung Übertragungsfunktionen mit PI-Regler DimensionierungmitPI-Regler VerhaltenderanalogenPLLmitPI-Regler Zusammenfassung DigitalePLL DigitalePLLmitEXOR-Phasendetektor EXOR-/EXNOR-Phasendetektor mit Stromausgang EXOR-/EXNOR-Phasendetektor mit Spannungsausgang SequentiellePhasendetektoren FlankengetriggerterPhasendetektor Phasen-Frequenz-Detektor Störtöne Beispiel für eine digitale PLL mit Phasen-Frequenz-Detektor KennlinienundKonstanten DimensionierungdesSchleifenfilters Verhalten DigitalePLLmitFrequenzteilern Blockschaltbild und Kleinsignalersatzschaltbild KanalwahlundTeilerfaktorsteuerung Momentanwerte und Mittelwerte Integer-N-PLL Fractional-N-PLL SteuerbareFrequenzteiler Teilerfaktorsteuerung Rauschen Rauschsignale Übertragungsfunktionen Referenzoszillator und VCO Frequenzteiler Phasendetektor Schleifenfilter MinimierungdesPhasenrauschens Anhang PSpice-Kurzanleitung Grundsätzliches ProgrammeundDateien Spice PSpice EineinfachesBeispiel

27 xxxvii EingabedesSchaltplans Simulationsanweisungen eingeben Simulationstarten AnzeigenderErgebnisse Arbeitspunkt anzeigen NetzlisteundAusgabedatei WeitereSimulationsbeispiele KennlinieneinesTransistors Verwendung von Parametern EinbindenweitererBibliotheken EinigetypischeFehler PassiveRC-undLRC-Netzwerke DerTiefpass BeschreibungimFrequenzbereich BeschreibungimZeitbereich DerHochpass Anwendung als Koppel-RC-Glied Anwendung als Differenzierglied ReihenschaltungmehrererHochpässe Kompensierter Spannungsteiler Passiver RC-Bandpass Wien Robinson-Brücke Doppel-T-Filter Schwingkreis ErklärungderverwendetenGrößen Typen der 7400-Logik-Familien Normwert-Reihen Farbcode Hersteller Literaturverzeichnis Sachverzeichnis