Aktive Filter und Oszillatoren

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1 Lutz v. Wangenheim Aktive Filter und Oszillatoren Entwurf und Schaltungstechnik mit integrierten Bausteinen Mit 153 Abbildungen und 26 Tabellen Springer

2 Inhalt Einführung 1 1 Systemtheoretische Grundlagen Lineare Vierpole Die komplexe Frequenz Die Übertragungsfunktion Die Systemfunktion Lineare Netzwerke im Zeit-und Frequenzbereich Polverteilung und Stabilität Filtercharakteristiken zweiten Grades Die biquadratische Systemfunktion Filterklassifikation Polkenngrößen Der Referenztiefpass Der Tiefpass zweiten Grades Das Toleranzschema Das Prinzip der Tiefpass-Approximation Der Tiefpass «-ten Grades Tiefpass-Approximationen Butterworth-Charakteristik Tschebyscheff-Charakteristik Inverse Tschebyscheff-Charakteristik Elliptische Charakteristik Thomson-Bessel-Charakteristik Vergleich der Standard-Approximationen Andere Approximationsverfahren Zusammenfassung Frequenztransformationen Tiefpass-Tiefpass-Transformation Tiefpass-Hochpass-Transformation Tiefpass-Bandpass-Transformation Tiefpass-Bandsperre-Transformation Tiefpass-Allpass-Transformation Transformation normierter Tiefpasselemente 79

3 VIII Inhalt 2 Grundstrukturen aktiver Filter Kaskadentechnik Rückkopplungsmodell und Übertragungsfunktion Erzeugung konjugiert-komplexer Pole Erzeugung endlicher Übertragungsnullstellen GIC-Stufen Parallelstrukturen Zweipolnachbildung mit Impedanzkonvertern Impedanzkonverter Elektronische Nachbildung von Induktivitäten FDNR-Technik Einbettungstechnik Entwurfsrichtlinien für die GIC-Technik Mehrfachkopplungstechnik Die Leapfrog-Synthese Die Zustandsvariablen-Struktur zweiten Grades Die FLF-Struktur Zusammenfassung Aktive Grundelemente Operationsverstärker Eigenschaften und Kenndaten Der nicht-invertierende Verstärker Der invertierende Verstärker Der Addierverstärker Der invertierende Integrator Der nicht-invertierende Integrator Der Tiefpass ersten Grades (gedämpfter Integrator) Der Negativ-Impedanzkonverter (NIC) Der Allgemeine Impedanzkonverter (GIC) Prinzip und Eigenschaften Der GIC als Zweipol zur Induktivitätsnachbildung Der GIC als Zweipol zur FDNR-Realisierung Der GIC als Anpassungsvierpol (Einbettungstechnik) Der GIC als kaskadierbarer Filtervierpol Transimpedanzverstärker Eigenschaften und Kenndaten Grundschaltungen Transkonduktanzverstärker Eigenschaften und Kenndaten OTA-Schaltungstechnik Stromkonverter (Current Conveyor) Prinzip und Eigenschaften Grundschaltungen 157

4 Inhalt IX 4 Kaskadentechnik Überblick Filterstufen mit Einfach-Rückkopplung Allgemeine Filterstruktur Tiefpassfilter Hochpassfilter Bandpassfilter Filterstufen mit Zweifach-Gegenkopplung Allgemeine Filterstruktur Tiefpassfilter Hochpassfilter Bandpassfilter Filterstufen mit Impedanzkonverter Tiefpass Hochpass Bandpass Einfluss realer Verstärkereigenschaften Filterstufen mit endlichen Nullstellen Allpassfilter Filterstufen mit Sperrcharakteristik Elliptische Tiefpässe Biquadratische Filterstufen und Universalfilter Grundstruktur für Zustandsvanablentechnik Schaltung mit invertierenden Integratoren Schaltung mit gedämpftem Integrator Struktur mit Vorkopplung Parallelstruktur OTA- und CC-Filterstufen OTA-Filtersrufen OTA-C-Strukturen CC-Filterstufen Zusammenfassung und Empfehlungen Entscheidungskriterien zur Schaltungswahl Vergleichende Übersicht Direkte Filtersynthese Aktive Komponentennachbildung Tiefpassfilter Hochpassfilter Bandpassfilter Filterstrukturen mit Mehrfachkopplungen Die Leapfrog-Struktur Die FLF-Struktur 270

5 X Inhalt 6 Aktive Filter in SC-Technik Einführung in die zeitdiskrete Signalverarbeitung Systemfunktion und z-transformation Transformation der Frequenzvariablen SC-Grundelemente Der invertierende EV-Integrator Der invertierende ER-Integrator Der invertierende Bilinear-Integrator Der Differenz-Integrator Der Tiefpass ersten Grades Entwurf und Betrieb von SC-Filtern Entwurfsverfahren Verstärkertechnik Betrieb von integrierten Filterbausteinen Simulation von SC-Filtern im Frequenzbereich Zeitkontinuierliche Modelle der SC-Kombinationen Simulationsbeispiel: SC-Tiefpass ersten Grades Rechnergestützter Filterentwurf Allgemeines PC-Programme zum Filterentwurf Systematische Übersicht Beispiel zum PC-gestützten Filterentwurf Zusammenfassung, Einschränkungen und Bewertung PC-gestützte Filteroptimierung Problemstellung Filteroptimierung durch Polanpassung Beispiel zur Filteroptimierung durch Polanpassung Zusammenfassung Lineare Oszillatoren Grundlagen Das Oszillatorprinzip Die Schwingbedingung Oszillatorstrukturen Vierpoloszillatoren Zweipoloszillatoren Auswahlkriterien Vierpol-Oszillatorschaltungen ÄC-Bandpass-Oszillator ÄC-Tiefpass-Oszillator Allpass-Oszillator Quadratur-Oszillatoren 351

6 Inhalt XI 8.4 Zweipol-Oszillatorschaltungen Resonanzkreisentdämpfung mit NIC GIC-Resonator Zusammenfassung 362 Literaturverzeichnis 365 Sachverzeichnis 369