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2 Lutz v. Wangenheim Analoge Signalverarbeitung Systemtheorie, Elektronik, Filter, Oszillatoren, Simulationstechnik Mit 119 Abbildungen STUDIUM VIEWEG+ TEUBNER

3 Im halt 1 Allgemeine System- und Rückkopplungstheorie Was sind komplexe Frequenzen? Warum Poldarstellung in ders-ebene? Welche Bedeutung hat die Polfrequenz? Wozu überhaupt Rückkopplung? Wie sind Mit- und Gegenkopplung definiert? Welche Bedeutung hat die Schleifenverstärkung? Was ist ein Mindestphasen-System? Wie viel Stabilitätsreserve ist sinnvoll? Gibt es mehrere./vygw/.s/-stabilitätskriterien? Theoretischer Hintergrund Das allgemeine Stabilitätskriterium Das vereinfachte A^w/sf-Kriterium Beispiel zum A^y^t/w/'-ICriterium : Was versteht man unter bedingter Stabilität? Sind Betrags- und Phasenverlauf voneinander abhängig? Wie prüft man die Stabilität mehrschleifiger Systeme? Beispiel: Regelkreis mit zwei Rückführungen Stabilitätsprüfung Ist die Schleifenverstärkung aus der Systemfunktion ablesbar? Ist der gegengekoppelte Verstärker ein Regelkreis? Wie unterscheiden sich Phasen- und Gruppenlaufzeit? Kann die Gruppenlaufzeit auch negativ sein? Was besagt das Substitutionstheorem? Gibt es negative Frequenzen? Was bedeutet die Operation Faltung"? Welche Bedeutung hat die ///7i>erf-Transformation? 42 2 Elektronik." Sind Bipolartransistoren ström-oder spannungsgesteuert? Was ist ein negativer Widerstand? Was ist ein frequenzabhängiger Widerstand? Wozu dienen Stromspiegel? 48

4 VIII Inhalt 2.5 Was sind translineare Schaltungen? Beispiel 1 (Stromspiegel) Beispiel 2 (spannungsgesteuerter Stromspiegel) Das translineare Prinzip Translineare Schaltungen mit MOSFET Anwendung translinearer Schaltungen Was bedeutet Signalverarbeitung im Log-Modus"? Beispiel: Tiefpass Anwendung von Log-Modus-Filtern Verzerrungen - linear oder nichtlinear? Ein digitaler Baustein als Linearverstärker? Warum sind AGC-Verstärker linear-in-db"? Die Phasenregelschleife (PLL) - linear oder nichtlinear? 63 3 Integrierte Linearverstärker Wie wichtig ist die Symmetrie der Spannungsversorgung? Operationsverstärker mit nur einer Versorgungsspannung? Warum Verstärkerbetrieb nur mit Gegenkopplung? Warum Frequenzkompensation? Gibt es auch unkompensierte Verstärker? Was versteht man unter gemischter Rückkopplung? Stabilitätsprobleme durch kapazitive Belastung? Methode 1: Trennwiderstand Methode 2: Bedämpfung mit /?C-Serienschaltung Methode 3: Zweifach-Gegenkopplung Viel oder wenig Gegenkopplung für hohe Stabilität? Was ist ein Pol-Nullstellen-Paar? Kann man zwei Operationsverstärker kombinieren? Wodurch werden Anstiegs-und Einschwingzeiten festgelegt? Was sind voll-differentielle Operationsverstärker? Warum Vorzugsbereiche für Widerstände und Kapazitäten? Wird der OTA auch gegengekoppelt? Sind Operationsverstärker gute Komparatoren? Kleinsignal- oder Großsignal-Bandbreite? Nutzt der Miller-Integrator den M//er-Effekt? Welches ist die beste Integratorschaltung? Was ist ein Transimpedanzverstärker? Was sind Current-Feedback"-Verstärker? Current-Feedback"-Verstärker als Integrator? 108 3'.22 Was ist ein Current Conveyor"? 109

5 nhalt LX Elektronische Filtertechnik Sind analoge'filter heute noch von Bedeutung? Was ist eigentlich ein Aktivfilter? Welche.Vorteile haben aktive Filter? Aktivfilter auch mit Einzeltransistoren? In welchem Frequenzbereich arbeiten Aktivfilter? Wodurch unterscheiden sich Allpol-, Tschebyscheff- und Sallen-Key-Füter? Wie viele Tiefpass-Schaltungsvarianten gibt es? Gibt es die optimale Filterschaltung? Gibt es ein Kochrezept" für den Filterentwurf? Gilt die 3-dB-Grenzfrequenz für alle Filter? Was ist eigentlich ein Filterpol? Welche Rolle spielt die Polgüte bei Tiefpässen? Was ist ein Kosinus-Filter? Was sind Zustandsvariablen-Filter? Wofür werden Allpässe verwendet? Welchem Zweck dient die 5n/to«-Transformation? Gibt es Aktivfilter ohne Ohmwiderstände? SC-Filter - analog oder digital? Wie arbeiten SC-Filter? Was ist ein LDl-lntegrator? SC-Stufen mit OPV oder OTA? Aktivfilter in RC- oder SC-Technik? Warum sind kleine Grenzfrequenzen problematisch? Was sind Median-Filter? Welche Technologie für integrierte Analogfilter? Was ist ein Polyphasen-Filter?' Was ist ein Optimalfilter? " Sind Filterentwurfs-Programme empfehlenswert? Harmonische Oszillatoren Was ist ein harmonischer Oszillator? Wann schwingt der Zweipol-Oszillator? Wann schwingt der Vierpol-Oszillator? Der C7a/?/?-Oszillator - Zweipol- oder Vierpol-Oszillator? Sind Oszillatoren lineare Schaltungen? Gibt es eine hinreichende Schwingbedingung? Sinusform auch ohne Amplitudenstabilisierung? Gibt es ein allgemeines Qualitätskriterium für Oszillatoren? WIis ist ein Ringoszillator? 159

6 X Inhalt 5.10 Welcher Oszillator für den milli-hz-bereich? Was ist das Verfahren der harmonischen Balance"? Was ist die beste Oszillatorschaltung? Simulationstectinik Wie wird die offene OPV-Verstärkung simuliert? Wie'überprüft man die Polverteilung bei Aktivfiltern? Kann SPICE mehr als Schaltungsanalyse? : Falsch oder richtig? Wie wird die Schleifenverstärkung simuliert? ZC-Kopplung..: Strom-Spannungs-Einspeisung Spannungseinspeisung Beispiel (Vergleich) Kann man die Phasenreserve direkt bestimmen? Das Phasensteilheits-Verfahren Beispiel : Modifikation des Verfahrens Phasenkompensation mit SPICE? Wie simuliert SPICE den Frequenzgang von SC-Filtern? Separate Nachbildung beider Taktphasen Die Storistor-Methode 186 Anhang A Der Begrenzungseffekt bei Integratoren 189 Anhang B Das Phasensteilheits-Verfahren (Interpolation) 193 Anhang C Phasenkompensation (Ableitung der Formeln) 195 Literaturverzeichnis 197 Sachverzeichnis 199 i