Analoge Schaltungstechnik mit diskreten und integrierten Bauelementen

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1 Herbert Bernstein Analoge Schaltungstechnik mit diskreten und integrierten Bauelementen Hüthig Verlag Heidelberg

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort V 1 Einführung in die Praxis der analogen Schaltungstechnik Analoge Verstärkerfamilien Technologien für Verstärker Interner Schaltungsaufbau von Operationsverstärkern Betriebsarten eines Operationsverstärkers Übertragungscharakteristik bei Operationsverstärkern Betriebsarten für Mit- und Gegenkopplung Invertierender Betrieb Nichtinvertierender Betrieb Arbeitsweise eines Transimpedanz-Verstärkers Arbeitsweise eines Transkonduktanz-Verstärkers Allgemeine Definitionen zu Operationsverstärkern Signalverstärker Anpassung von Verstärkerstufen Eigenschaften von Verstärkern Rauscharten im Verstärkerbetrieb Klassifizierung der Transistoren Transistor-Grundschaltungen Kleinsignal-Analogverstärker Thermische Arbeitspunktstabilisierung Einstufiger Verstärker Kollektorschaltung Mehrstufige Verstärker Kopplung mit Übertrager RC-Kopplung Direkte Gleichstromkopplung Zweistufiger Verstärker Anpassung mehrstufiger Verstärker Zweistufiger Verstärker mit Gegenkopplung Vorverstärker mit Klangsteller Präsenzfilter für Sprachfrequenzen FET-Verstärker Vorverstärker mit FET Einstufiger FET-Verstärker Zweistufiger FET-Verstärker 66

3 VIII Inhaltsverzeichnis 1.5 Leistungsverstärker Leistungsverstärker im A-Betrieb Leistungsverstärker im B-Betrieb Leistungsverstärker im AB-Betrieb Leistungsverstärker im C-Betrieb Transistor-Differenzverstärker Prinzip eines Differenzverstärkers Aufbau eines Differenzverstärkers Differenzverstärker an Wechselspannung Differenzverstärker mit Konstantstromquelle Bandgap-Technik Arbeiten mit Electronics Workbench Konstruktion einer einfachen Schaltung Verbindungslinien Verbindungspunkt (Knotenpunkt) 89 2 Grundschaltungen des Operationsverstärkers Systemdesign Fehler auf Signal- und Masseleitungen Messen von Fehlern auf den Masseleitungen Entwicklung analoger Präzisionsschaltungen Elektrostatische Beschädigungen Widerstände für Präzisions-Analogschaltungen Kondensatoren für Präzisions-Analogschaltungen Elektronik-CAD Kapazitäten bei gedruckten Leiterbahnen Brummspannungen Grundschaltungen Invertierender OP-Betrieb Nichtinvertierender OP-Betrieb Impedanzwandler Operationsverstärker als Differenzverstärker Operationsverstärker mit Leistungsendstufe Operationsverstärker mit Darlingtonendstufe Lineare und nichtlineare Verstärkerschaltungen Addierer bzw. Summierer Operationsverstärker als Integrator Differenzierer mit Operationsverstärker Differenzverstärker oder Subtrahierer Instrumentenverstärker Strom-Spannungs- und Spannungs-Strom-Wandler 140

4 Inhaltsverzeichnis IX Spannungs- und Strommessung Komparator und Schmitt-Trigger Einfacher Spannungsvergleicher Spannungsvergleicher im gesättigten Verstärkerbetrieb Fensterkomparator Dreipunktkomparator Schmitt-Trigger Schmitt-Trigger in nichtgesättigter Betriebsart Chopper-Operationsverstärker Interner Aufbau eines Chopper-Verstärkers Taktsteuerung für einen Chopper-Verstärker Interne und externe Beschaltung Arbeitsweise von Chopper-Verstärkern Anwendungsbeispiele Integrierte Leistungsverstärker Leistungsverstärker mit dem ICL Ansteuerung eines Gleichstrommotors Technologie für Operationsverstärker Bipolare Prozeßtechnik Super-Beta-Transistor PJFET-Transistoren Aktive Filterschaltungen Filterklassen Vergleich zwischen den passiven Filterschaltungen Komplexe Darstellung des Wechselstromes Tief- und Hochpässe Schwingkreise Vierpole und Filter Passiver Hoch-und Tiefpaß 1. Ordnung Passiver Tief- und Hochpaß höherer Ordnung RC-Filter nach Gauß T- und n-filter Filter nach Gauß, Bessel, Butterworth, Cauer und Tschebyscheff LC-Tiefpaßfilter Amplitudengang von Filtern Bandfilter RC-Bandsperre RC-Bandpaß LC-Bandsperre 198

5 X Inhaltsverzeichnis LC-Bandpaß Aktive Tiefpaß- und Hochpaßfilter Aktiver Tiefpaß l.ordnung Aktiver Hochpaß 1. Ordnung Aktives Tiefpaßfilter 2. Ordnung Aktives Hochpaßfilter 2. Ordnung Aktive Tiefpaßfilter höherer Ordnung Berechnungsbeispiele für aktive Tiefpaßfilter Aktive Tiefpaßfilter bis zur 10. Ordnung Umwandlung von Tiefpaßfilter in Hochpaßfilter Hochpaß 3. Ordnung mit künstlicher Spule Aktive Bandpaß- und Bandsperrfilter Selektiver Verstärker mit Schwingkreis Selektives Filter 2.0rdnung Aktive Bandsperre mit T-Filter Allpaßfilter Kontinuierliche Filterschaltungen Filtergenauigkeit und Filterentwurf Vergleich zwischen kontinuierlichen und geschalteten Filtern Entwicklung steuerbarer Analogfilter Multiverstärker-Filter Digital einstellbares Filter Multiplizierender DA-Wandler Universalfilter (state variable filter) Übertragungsfunktion des Universalfilters Praktische Ausführung eines Universalfilters Geschaltete Kapazitätsfilter Filtereigenschaften IC-Kapazitätsfilter Universelle Filtereigenschaften Filterfunktionen nach Butterworth, Bessel oder Tschebyscheff Bandpaßfilter mit mehrfacher Rückkopplung Kaskadierung von Filtern Anschluß eines geschalteten Kapazitätsfilters Geschalteter Tschebyscheff-Bandpaß 4. Ordnung Signalgeneratoren und Oszillatoren Rechteckgeneratoren Astabile Kippstufe mit Transistoren Rechteckgenerator mit Operationsverstärker Rechteckgeneratoren mit TTL- und CMOS-Bausteinen 264

6 Inhaltsverzeichnis XI Taktgenerator mit Quarz Taktgenerator mit TTL- und CMOS-Schmitt-Trigger-Bausteinen Integrierter Universalbaustein Astabile Funktion mit dem Monostabiler Betrieb mit dem Nachtriggerbares Monoflop mit dem Einfacher Frequenzmesser Digitaler Kapazitätsmesser von 1 pf bis 9999 uf Sinusgeneratoren Sinusgenerator mit RC-Phasenschieber Sinus-Kosinus-Generator Sinusgenerator mit Wien-Robinson-Brücke Sinusgenerator mit LC-Glied Sinusgenerator mit Quarz Dreieck- und Sägezahngeneratoren Dreieckgenerator Sägezahngenerator Funktionsgeneratoren Filterschaltungen für Sinusnetzwerke Sinusnetzwerk mit Dioden und Transistoren Integrierter Funktionsgenerator ICL Integrierter Funktionsgenerator XR PLL-Schaltungen Grundlagen der PLL-Technik Aufbau einer praktischen PLL-Schaltung FM-Demodulation Frequenzsynthesizer Splitphasen-Datensynchronisation und Decodierung Programmierbarer Funktionsgenerator Programmgesteuerter Frequenzsynthesizer Programmierbarer Funktionsgenerator PC-gesteuerter Funktionsgenerator Näherungsdetektor nach dem Fledermausprinzip Signalverarbeitung, Meßverstärker und elektronische Meßtechnik Spezifikationen für die PC-Meßtechnik Aufbau eines digitalen Regelkreises Realisierung eines digitalen Regelkreises Aufbau einer Meßdatenerfassungseinrichtung Kriterien für eine Meßdatenerfassungseinrichtung 335

7 Inhaltsverzeichnis XII Lineare und nichtlineare Meßverstärker Definitonen für Meßverstärker Lineare Verstärkerschaltungen Eingangsfilter Instrumentenverstärker Trenn Verstärker Optischer Isolationsverstärker Nichtlineare Funktionsbausteine Analogmultiplizierer Parameter für nichtlineare Verstärker Logarithmische Verstärker Logarithmierer mit Transistor Antilogarithmierer (Potenzierer) Einfache IC-Logarithmierer AD538 Vergleich zwischen Ein-, Zwei- und Vierquadranten-Multiplizierern Einquadranten-Multiplizierer/Dividierer AD538 Meßwertwandler für Wechselstromsignale Analogschalter Merkmale von Analogschaltern Bilateraler Schalter Monolithische Analogschalter Anwendungen von Analogschaltern Abtast-und-Halte-Schaltungen Arbeitsweise des Abtastbetriebes Parameter einer Abtast-und-Halte-Einheit Track-and-Hold-Einheit Analogmultiplexer Arbeitsweise von Analogmultiplexern Betriebsarten für Analogmultiplexer Front-End-System mit Analogmultiplexer Instrumentenverstärker mit Analogmultiplexer Videosignal-Multiplexer Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler Wandler als Schnittstelle Praktische Anforderungen Meßdatenerfassung ohne Abtast-und-Halte-Einheit Zeitmultiplexe Meßdatenerfassung mit Abtast-und-Halte-Einheit Simultane Meßdatenerfassung mit Abtast-und-Halte-Einheit Antialiasing-Filter Systeme zur Signalabtastung

8 Inhaltsverzeichnis XIII Theorem zur Signalabtastung Codierungen Natürlicher Binärcode Komplementärer Binärcode Codes für AD- und DA-Wandler BCD-Codierung Spezifikationen von Datenumsetzern Auflösung Relative Genauigkeit bei Wandlersystemen Absolute Genauigkeit bei Wandlern Linearität und Nichtlinearität Geschwindigkeit und Stabilität Abtast-Jitter Digital-Analog-Wandler Übertragungsfunktion Aufbau und Funktion eines DA-Wandlers Stromgewichtete DA-Wandler R-2R-DA-Wandler Multiplizierende und»deglitchte«da-wandler Auswahlkriterien und Anwendungen für DA-Wandler Bit-DA-Wandler mit Mikroprozessor-Schnittstelle Bit-DA-Wandler mit Mikroprozessor-Schnittstelle Zweifacher 12-Bit-DA-Wandler Serieller 12-Bit-DA-Wandler Programmierbare Triggerschaltungen Programmierbare Komparatorschaltungen Programmierbare elektronische Schaltpunktregler Grundlagen der Analog-Digital-Wandler AD-Wandler nach dem Zählverfahren AD-Wandler mit Nachlaufsteuerung AD-Wandler mit stufenweiser Annäherung Parallel- bzw. Flash-Wandler Single-slope-AD-Wandler Dual-slope-AD-Wandler Triple-slope-AD-Wandler Charge-balancing-AD-Wandler Spannungs-Frequenz-Wandler Delta-Sigma-AD-Wandler Praktische Anwendung von Analog-Digital-Wandlern Schneller 8-Bit-AD-Wandler mit Mikroprozessor-Schnittstelle 486

9 Inhaltsverzeichnis XIV Bit-AD-Wandler mit universeller Mikroprozessor-Schnittstelle 12-Bit-AD-Wandler mit Track-and-Hold-Einheit Integrierender 15-Bit-AD-Wandler Analogteil des MAX Praktische Regelungstechnik mit PC-Simulation Aufbau einer konventionellen Regelstrecke Aufbau einer Regelstrecke Darstellung eines Übertragungsblocks Wirklinien Regelstrecken Realisierung von elektronischen Reglern P-Regler mit Sollwert- und Istwert-Eingang Analyse linearer Systeme mittels PC-Simulation Darstellung der Regelparameter I-Regler D-Regler PTi-Regler PT2-Regler ITi-Regler DTi-Regler PI-Regler PITi-Regler PD-Regler PDTi-Regler PID-Regler PIDTi-Regler TV-Regler Blockorientierte Simulation Simulation einer linearen PTiTVRegelstrecke 2. Ordnung Verknüpfung von Übertragungsgliedern Direkte Rückführungen im Regelkreis Rückführung über ein Übertragungsglied Simulation einer komplexen Regelstrecke Optimierung von Regelkreisen mittels PC-Simulation Aufbau eines optimierbaren Regelkreises Betrachtung der Störgrößenaufschaltung Einflüsse auf Führungsgröße und Störgröße Simulation einfacher Regelstrecken ohne Aufschaltung einer Störgröße Regelgröße bei Führung und Störung Reglerkenngrößen

10 Inhaltsverzeichnis XV Einfache Regelstrecke mit Störgrößenaufschaltung Schaltende Regler Zweipunktregler Simulation von Zweipunktreglern Rückführung bei Zweipunktreglern Schaltende P-Regler Elektronische Zweipunktregler Dreipunktregler Simulation einer Strecke mit Dreipunktregler Elektronische Dreipunktregler Regelungen mit Fuzzy-Logik Synthese einer Fuzzy-Regelung Aufbau der Fuzzy-Logik Aufstellung der linguistischen Variablen Verknüpfung von linguistischen Variablen Fuzzyfizierung Entwurf von Fuzzy-Systemen Bearbeitung der Zugehörigkeitsfunktion Zugehörigkeitsfunktionen Berechnung von Zugehörigkeitswerten Verknüpfung und Modifikation von Fuzzy-Sets Regelsysteme mit Fuzzy-Logik Gegenüberstellung von konventionellen und Fuzzy-Reglern Erstellung und Bearbeitung einer Regelbasis Definition von Fuzzy-Regeln Inferenz Wirkungsweise des Inferenzmechanismus und Defuzzyfiziening Kennlinien- und Kennfeldberechnung Simulation von Fuzzy-Systemen Entwurf eines Fuzzy-PID-Reglers Simulationen zum Fuzzy-Regelkreis Simulation eines Fuzzy-PID-Reglers Simulationsvergleich zwischen einem konventionellen und einem Fuzzy-P-Regler Programme auf der CD-ROM 627 Literaturverzeichnis 629 Stichwortverzeichnis 635