Halbleiter-Schaltungstechnik

Transkript

1 Ulrich Tietze Christoph Schenk Eberhard Gamm Halbleiter-Schaltungstechnik 13., neu bearb. Aufl. 4y Springer

2 Inhaltsübersicht Teil I. Grundlagen ' 1. Diode 3 2. Bipolartransistor Feldeffekttransistor Verstärker Operationsverstärker Digitaltechnik Grundlagen Schaltnetze (Kombinatorische Logik) Schaltwerke (Sequentielle Logik) Halbleiterspeicher : 707 Teil II. Anwendungen 10. Analogrechenschaltungen Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter Aktive Filter Signalgeneratoren Leistungsverstärker Stromversorgung DA- und AD-Umsetzer Messschaltungen Sensorik J Elektronische Regler Optoelektronische Bauelemente ' 1105 Teil III. Schaltungen der Nachrichtentechnik 21. Grundlagen Sender und Empfänger Passive Komponenten Hochfrequenz-Verstärker Mischer Oszillatoren Anhang 1605 Literaturverzeichnis 1669 Sachverzeichnis 1673

3 Teil I. Grundlagen 1. Diode Verhalten einer Diode Kennlinie ' Beschreibung durch Gleichungen Schaltverhalten Schalt verhalten bei ohmscher Last Schaltverhalten bei ohmsch-induktiver Last Klein signal verhalten Grenzdaten und Sperrströme Grenzspannungen Grenzströme Sperrstrom Maximale Verlustleistung Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter 12 ' 1.2 Aufbau einer Diode Einzeldiode Innerer Aufbau Gehäuse Integrierte Diode Innerer Aufbau Substrat-Diode Unterschiede zwischen integrierten pn- und Schottky-Dioden Modell für eine Diode / Statisches Verhalten J Bereich mittlerer Durchlassströme Weitere Effekte : Bahnwiderstand Dynamisches Verhalten Sperrschichtkapazität Diffusionskapazität Vollständiges Modell einer Diode Kleinsignalmodell Statisches Kleinsignalmodell Dynamisches Kleinsignalmodell Spezielle Dioden und ihre Anwendung Z-Diode Kennlinie im Durchbruchbereich Spannungsstabilisierung mit Z-Diode 25

4 Spannungsbegrenzung mit Z-Dioden pin-diode Kapazitätsdiode Brückengleichrichter Mischer Bipolartransistor Verhalten eines Bipolartransistors Kennlinien Ausgangskennlinienfeld Übertragungskennlinienfeld Eingangskennlinienfeld Stromverstärkung Beschreibung durch Gleichungen Early-Effekt Basisstrom und Stromverstärkung Großsignalgleichungen Verlauf der Stromverstärkung Gummel-Plot Darstellung des Verlaufs Bestimmung der Werte Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten Bestimmung des Arbeitspunkts Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter Kleinsignalersatzschaltbild Vierpol-Matrizen Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung Grenzdaten und Sperrströme Durchbruchsspannungen Durchbruch 2. Art Grenzströme ' Sperrströme, Maximale Verlustleistung... / Zulässiger Betriebsbereich Thermisches Verhalten : Thermisches Ersatzschaltbild Thermisches Verhalten bei statischem Betrieb Thermisches Verhalten bei Pulsbetrieb Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter Aufbau eines Bipolartransistors Einzeltransistoren Innerer Aufbau ; Gehäuse Komplementäre Transistoren Integrierte Transistoren Innerer Aufbau Modelle für den Bipolartransistor Statisches Verhalten 60

5 Das Ebers-Moll-Modell Das Transportmodell Weitere Effekte Stromverstärkung bei Normalbetrieb Substrat-Dioden Bahnwiderstände Dynamisches Verhalten Sperrschichtkapazitäten Diffusionskapazitäten Gummel-Poon-Modell Kleinsignalmodell Statisches Kleinsignalmodell Dynamisches Kleinsignalmodell Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb Zusammenfassung der Kleinsignalparameter Rauschen Rauschdichten Rauschquellen eines Bipolartransistors Äquivalente Rauschquellen Ersatzrauschquelle und Rauschzahl Rauschzahl eines Bipolartransistors Bestimmung des Basisbahnwiderstands Grundschaltungen Emitterschaltung Übertragungskennlinie der Emitterschaltung Kleinsignal verhalten der Emitterschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung Arbeitspunkteinstellung 'Frequenzgang und obere Grenzfrequenz " Zusammenfassung / Kollektorschaltung Übertragungskennlinie der Kollektorschaltung Kleinsignalverhalten der Kollektorschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung : Frequenzgang und obere Grenzfrequenz Impedanztransformation mit der Kollektorschaltung Basisschaltung Übertragungskennlinie der Basisschaltung Kleinsignalverhalten der Basisschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung 161

6 Frequenzgang und obere Grenzfrequenz Darlington-Schaltung Kennlinien eines Darlington-Transistors Beschreibung durch Gleichungen Verlauf der Stromverstärkung Kleinsignalverhalten 172, Schaltverhalten Feldeffekttransistor Verhalten eines Feldeffekttransistors Kennlinien Ausgangskennlinienfeld Abschnürbereich Übertragungskennlinienfeld Eingangskennlinien Beschreibung durch Gleichungen Verlauf der Kennlinien Steilheitskoeffizient Alternative Darstellung Kanallängenmodulation Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand Arbeitspunkt und Kleinsignal verhalten Arbeitspunkt Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter Kleinsignalersatzschaltbild Vierpol-Matrizen Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung Grenzdaten und Sperrströme Durchbruchsspannungen Grenzströme Sperrströme ' Maximale Verlustleistung f Zulässiger Betriebsbereich... / Thermisches Verhalten Temperaturabhängigkeit der Fet-Parameter Mosfet Sperrschicht-Fet Aufbau eines Feldeffekttransistors Integrierte Mosfets Aufbau CMOS Bulk-Dioden Latch-up Mosfets für höhere Spannungen Einzel-Mosfets Aufbau Parasitäre Elemente Kennlinien von vertikalen Leistungs-Mosfets 204

7 3.2.3 Sperrschicht-Fets Gehäuse Modelle für den Feldeffekttransistor Statisches Verhalten Level-1-Mosfet-Modell Bahnwiderstände Vertikale Leistungs-Mosfets Sperrschicht-Fets Dynamisches Verhalten Kanalkapazitäten Überlappungskapazitäten Sperrschichtkapazitäten Level-1-Mosfet-Modell Einzel-Mosfets Sperrschicht-Fet-Modell Kleinsignalmodell Statisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich Dynamisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb Zusammenfassung der Kleinsignalparameter Rauschen Rauschquellen eines Feldeffekttransistors Äquivalente Rauschquellen Ersatzrauschquelle und Rauschzahl Rauschzahl eines Fets Vergleich der Rauschzahlen von Fet und Bipolartransistor Grundschaltungen Sourceschaltung Übertragungskennlinie der Sourceschaltung Kleinsignalverhalten der Sourceschaltung " Nichtlinearität, Temperaturabhängigkeit J Sourceschaltung mit Stromgegenkopplung Sourceschaltung mit Spannungsgegenkopplung Arbeitspunkteinstellung Frequenzgang und Grenzfrequenz Zusammenfassung Drainschaltung Übertragungskennlinie der Drainschaltung Kleinsignalverhalten der Drainschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung Frequenzgang und Grenzfrequenz Gateschaltung Übertragungskennlinie der Gateschaltung 271

8 Kleinsignalverhalten der Gateschaltung Nichtlinearität Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung Frequenzgang und Grenzfrequenz Verstärker Schaltungen Grundlagen Kennlinien der Transistoren Skalierung Normierung Komplementäre Transistoren Auswirkung fertigungsbedingter Toleranzen Dioden Stromquellen und Stromspiegel Prinzip einer Stromquelle Einfache Stromquellen für diskrete Schaltungen Einfacher Stromspiegel Stromspiegel mit Kaskode Kaskode-Stromspiegel Wilson-Stromspiegel Dynamisches Verhalten Weitere Stromspiegel und Stromquellen Stromspiegel für diskrete Schaltungen Kaskodeschaltung Kleinsignalverhalten der Kaskodeschaltung Frequenzgang und Grenzfrequenz der Kaskodeschaltung Differenzverstärker Grundschaltung ' Gleichtakt- und Differenzverstärkung Eigenschaften des Differenzvers'tärkers Unsymmetrischer Betrieb Übertragungskennlinien des nph-differenzverstärkers Übertragungskennlinien des n-kanal-differenzverstärkers Differenzverstärker mit aktiver Last Offsetspannung eines Differenzverstärkers Kleinsignalverhalten des Differenzverstärkers Nichtlinearität Arbeitspunkteinstellung Frequenzgänge und Grenzfrequenzen des Differenzverstärkers Zusammenfassung Impedanzwandler Einstufige Impedanzwandler Mehrstufige Impedanzwandler 400

9 Komplementäre Impedanzwandler Schaltungen zur Arbeitspunkteinstellung UBE-Referenzstromquelle PTAT-Referenzstromquelle Temperaturunabhängige Referenzstromquelle Referenzstromquellen in MOS-Schaltungen Arbeitspunkteinstellung in integrierten Verstärkerschaltungen Eigenschaften und Kenngrößen Kennlinien..' Kleinsignal-Kenngrößen Arbeitspunkt Kleinsignalgrößen Linearisierung Kleinsignal-Kenngrößen Kleinsignalersatzschaltbild eines Verstärkers Verstärker mit Rückwirkung Berechnung mit Hilfe des Kleinsignalersatzschaltbilds der Schaltung Reihenschaltung von Verstärkern Nichtlineare Kenngrößen Reihenentwicklung der Kennlinie im Arbeitspunkt Gültigkeitsbereich der Reihenentwicklung Ausgangssignal bei sinusförmiger Ansteuerung Klirrfaktor Kompressionspunkt Intermodulation und Intercept-Punkte Reihenschaltung von Verstärkern Betriebsfälle bei der Ermittlung der nichtlinearen Kenngrößen Messung der nichtlinearen Kenngrößen Rauschen" f Rauschquellen und Rauschdichtefi eines Verstärkers Ersatzrauschquelle und spektrale Rauschzahl Optimale Rauschzahl und optimaler Quellen widerstand Rauschzahl einer Reihenschaltung von Verstärkern Signal-Rausch-Abstand und mittlere Rauschzahl Optimierung der Rauschzahl Rauschanpassung Äquivalente Rauschquellen der Grundschaltungen Operationsverstärker Übersicht Operationsverstärker-Typen Prinzip der Gegenkopplung....: Der nichtinvertierende Verstärker Der invertierende Verstärker Der normale Operationsverstärker (VV-OPV) 518

10 xviii Inhaltsverzeichnis Das Prinzip Universalverstärker Betriebsspannungen Single-Supply-Verstärker Phasenumkehr Rail-to-Rail-Verstärker Breitband-Operationsverstärker Frequenzgang-Korrektur Grundlagen Universelle Frequenzgang-Korrektur Pole-Splitting Angepasste Frequenzgangkorrektur Slew-Rate Kapazitive Last Interne Lastkorrektur Zweipolige Frequenzgangkorrektur Parameter von Operationsverstärkern Differenz- und Gleichtaktverstärkung Offsetspannung Eingangsströme Eingangswiderstände Ausgangswiderstand Beispiel für statische Fehler Bandbreite Rauschen Der Transkonduktanz-Verstärker (VC-OPV) Innerer Aufbau ; Typische Anwendung Der Transimpedanzverstärker (CV-OPV) Innerer Aufbau Frequehzverhalten / Typische Anwendungen / Der Strom-Verstärker (CC-OPV) Innerer Aufbau : Typische Anwendung Anwendungen mit Stromgegenkopplung Anwendungen mit Spannungsgegenkopplung Vergleich Praktischer Einsatz Abblocken der Betriebsspannungen Schwingneigung Dämpfung Gegenkopplungswiderstände Verlustleistung Kühlung Übersteuerung Eingangsschutz 597

11 5.6.2 Typen Universaltypen Präzisionstypen Rauscharme Typen Rail-to-Rail-Output Verstärker Rail-to-Rail-IO Verstärker Hohe Bandbreite Differentieller Ausgang Hohe Ausgangsspannung Hoher Ausgangsstrom CV-Operationsverstärker VC-Operationsverstärker CC-Operationsverstärker Klassifizierung Digitaltechnik Grundlagen ' Die logischen Grundfunktionen Aufstellung logischer Funktionen Das Karnaugh-Diagramm Abgeleitete Grundfunktionen Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen Statische und dynamische Daten Transistor-Transistor-Logik (TTL) Open-Collector-Ausgänge Tristate-Ausgänge Komplementäre MOS-Logik (CMOS) CMOS-Inverter Offene Eingänge Statische Ladungen CMOS-Gatter Transmission-Gate Emittergekoppelte Logik (ECL) PECL-Gatter y NECL-Gatter / Wired-OR- Verknüpfung Schaltzeiten : Verlustleistung Current Mode Logik (CML) CML-Gatter CML-Flip-Flop Low Voltage Differential Signaling (LVDS) Vergleich der Logikfamilien Verbindungsleitungen Hazards Kopplung von Logikfamilien Betriebsspannungen Schaltnetze (Kombinatorische Logik) Multiplexer 648

12 aus-n-Decoder Demultiplexer Multiplexer Schiebelogik (Barrel Shifter) Prioritätsdecoder Kombinatorischer Zähler Paritätsgenerator Komparatoren Zahlendarstellung. ( Positive ganze Zahlen im Dualcode Oktalcode Hexadezimalcode BCD-Code Ganze Dualzahlen mit beliebigem Vorzeichen Darstellung nach Betrag und Vorzeichen Darstellung im Zweierkomplement (Two's Complement) Vorzeichenergänzung (Sign Extension) Offset-Dual-Darstellung (Offset Binary) Festkomma-Dualzahlen Gleitkomma-Dualzahlen Addierer Halbaddierer Volladdierer Parallele Übertragslogik Subtraktion Zweierkomplement-Überlauf Addition und Subtraktion von Gleitkomma-Zahlen Multiplizierer Multiplikation von Festkomma-Zahlen Multiplikation von Gleitkomma-Zahlen Schaltwerke (Sequentielle Logik) j Flip-Flops Transparente Flip-Flops ; Flip-Flop Grundschaltung Taktzustandgesteuerte RS-Flip-Flops Taktzustandgesteuerte D-Flip-Flops Flip-Flops mit Zwischenspeicherung JK Master-Slave Flip-Flops D Master-Slave Flip-Flops Zeitverhalten von Flip-Flops Vergleich JK- und D-Flip-Flops Metastabilität Flip-Flops für Zähler Dualzähler Asynchroner Dualzähler Synchrone Dualzähler 686

13 8.2.3 Vorwärts-Rückwärts-Zähler Zähler mit umschaltbarer Zählrichtung Zähler mit Vorwärts- und Rückwärts-Eingängen Synchrone BCD-Zähler Vorwahlzähler Schieberegister Grundschaltung Schieberegister mit Paralleleingabe Erzeugung von Pseudozufallsfolgen Aufbereitung asynchroner Signale Entprellung mechanischer Kontakte Flankengetriggerr.es RS-Flip-Flop Synchronisation von asynchronen Daten Synchroner Zeitschalter Synchroner Änderungsdetektor Synchroner Taktschalter Systematischer Entwurf von Schaltwerken Zustandsdiagramm Entwurfsbeispiel für einen Dualzähler Entwurfsbeispiel für einen umschaltbaren Zähler Halbleiterspeicher Programmierbare Logik Programmierbare Logische Bauelemente (PLDs) Typenübersicht Anwender-programmierbare Gate-Arrays Typenübersicht Computer-gestiitzterPLD-Entwurf Datenspeicher Statische RAMs Zeitbedingungen Beispiele für SRAMs Dynamische RAMs t Flash Speicher J Fehler-Erkennung und -Korrektur Paritätsbit r Hamming-Code First-In-First-Out Memories (FIFO) Prinzip Standart FIFOs FIFO-Realisierung mit Standard-RAMs 734 Teil II. Anwendungen 10. Analogrechenschaltungen Addierer Subtrahierer Rückführung auf die Addition Subtrahierer mit einem Operationsverstärker 741

14 10.3 Bipolares Koeffizientenglied Integratoren Invertierender Integrator Anfangsbedingung Summationsintegrator Nicht invertierender Integrator Integrator für hohe Frequenzen Differentiatoren Prinzipschaltung Praktische Realisierung 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 Stromgesteuerte Spannungsquellen Spannungsgesteuerte Stromquellen Stromquellen für potentialfreie Verbraucher Stromquellen für geerdete Verbraucher Transistor-Präzisionsstromquellen Transistor-Stromquellen für bipolare Ausgangsströme Schwimmende Stromquellen Stromgesteuerte Stromquellen Der NIC (Negative Impedance Converter) Der Gyrator Transformation von Zweipolen._/ Transformation von Vierpolen Der Zirkulator.; Aktive Filter Theoretische Grundlagen von Tiefpassfiltern Butterworth-Tiefpasse Tscheby scheff- Tiefpässe Bessel-Tiefpässe Zusammenfassung der Theorie 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 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern höherer Ordnung 814

15 xxiii 12.6 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 Aktive Wien-Robinson-Bandsperre Allpässe Grundlagen Realisierung von Allpässen 1. Ordnung Realisierung von Allpässen 2. Ordnung Integratorfilter Grundschaltung Integratorfilter für hohe Frequenzen Integratorfilter mit zusätzlichem Hochpass-Ausgang Integratorfilter mit zusätzlichem Bandsperren-Ausgang Elektronische Steuerung der Filterparameter Filter mit einstellbaren Koeffizienten Switched-Capacitor-Filter Grundprinzip Der SC-Integrator SC-Filter 1. Ordnung SC-Filter 2. Ordnung Integrierte Realisierung von SC-Filtern Allgemeine Gesichtspunkte beim Einsatz von SC-Filtern Typenübersicht Signalgeneratoren > Rechteckformung Komparator Fensterkomparator : Schmitt-Trigger Impulserzeugung Erzeugung kurzer Impulse Erzeugung längerer Impulse Rechteckgeneratoren Funktionsgeneratoren Einfache Rechteckgeneratoren Timer als Schmitt-Trigger Operationsverstärker als Schmitt-Trigger Gatter als Schmitt-Trigger Rechteckgeneratoren mit hoher Frequenzgenauigkeit Sinusschwingungen 860

16 xxiv Inhaltsverzeichnis Arbiträrgenerator Direkte Digitale Synthese 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 Eigenschaften von Netztransformatoren Netzgleichrichter Einweggleichrichter Brückengleichrichter Mittelpunkt-Schaltung Grundschaltung Doppelte Mittelpunktschaltung Lineare Spannungsregler f Prinzipien Praktische Ausführung 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 Der Abwärts-Wandler Prinzip Ausführungsbeispiel Leistungsschalter 916

17 Pulsbreitenmodulation Pulsfrequenzmodulation Aufwärts-Wandler Invertierender Wandler Aufwärts- Abwärtswandler Sepie Konverter Spannungswandler mit Ladungspumpe Typenübersicht Schaltregler mit Potentialtrennung Eintakt-Wandler Eintakt-Sperrwandler Eintakt-Durchflusswandler Gegentakt-Wandler Gegentakt-Wandler mit Parallelspeisung Gegentakt-Wandler in Halbbrückenschaltung Gegentakt-Wandler in Brückenschaltung Resonanzumrichter Aktive Gleichrichtung Leistungsschalter Leistungstransistoren Gatetreiber ohne Potentialtrennung Gatetreiber mit Potentialtrennung Integrierte Gatetreiber Hochfrequenztransformatoren Verlustanalyse Leistungsfaktorkorrektur DA- und AD-Umsetzer Systemtheoretische Grundlagen Quantisierung der Zeit Abtasttheorem Rückgewinnung des Analogsignals Praktische Gesichtspunkte f Quantisierung der Amplitude J Spannungseinheit Digital-Analog Umsetzung : Grundprinzipien der DA-Umsetzung Wägeverfahren mit geschalteten Spannungen Einsatz von Wechselschaltern Leiternetzwerk Inversbetrieb eines Leiternetzwerks Wägeverfahren mit geschalteten Strömen DA-Umsetzer für spezielle Anwendungen Verarbeitung vorzeichenbehafteter Zahlen Multiplizierende DA-Umsetzer Dividierende DA-Umsetzer Genauigkeit von DA-Umsetzern Statische Kenngrößen 979

18 xxvi Inhaltsverzeichnis Dynamische Kenngrößen Analog-Digital Umsetzer Parallelverfahren Pipelineumsetzer Wägeverfahren Zählverfahren Modifiziertes Wägeverfahren Dual-Slope-Verfahren Überabtastung Delta-Sigma- Verfahren Genauigkeit von AD-Umsetzern Statische Fehler Dynamische Fehler Vergleich der Verfahren Abtast-Halte-Glieder Grundlagen Transmission-Gate als Schalter Dioden-Brücke als Schalter Messschaltungen Spannungsmessung Impedanzwandler Vergrößerung der Spannungsaussteuerbarkeit Messung von Potentialdifferenzen Subtrahierer mit beschalteten Operationsverstärkern Subtrahierer für hohe Spannungen Subtrahierer mit gegengekoppelten Differenzverstärkern Subtrahierer in SC-Technik Trennverstärker (Isolation Amplifier) Strommessung Potentialfreies Amperemeter mit niedrigem Spannungsabfall Strommessung auf hohem Potential.../ Messgleichrichter (AC/DC-Converter) Messung des Betragsmittelwertes....; Vollweggleichrichter mit geerdetem Ausgang Gleichrichtung durch Umschalten des Vorzeichens Breitband-Vollweggleichrichter Messung des Effektivwertes..' Echte Effektivwertmessung (True RMS) Thermische Umformung Messung des Scheitelwertes Momentane Scheitelwertmessung Synchrongleichrichter Sensorik Temperaturmessung Metalle als Kaltleiter Kaltleiter auf Silizium-Basis, PTC 1040

19 xxvii Heißleiter, NTC Betrieb von Widerstandstemperaturfühlern Transistor als Temperatursensor Das Thermoelement Typenübersicht Druckmessung Aufbau von Drucksensoren Betrieb temperaturkompensierter Drucksensoren Temperaturkompensation von Drucksensoren Handelsübliche Drucksensoren Feuchtemessung Feuchtesensoren Betriebsschaltungen für kapazitive Feuchtesensoren Übertragung von Sensorsignalen Galvanisch gekoppelte Signalübertragung Galvanisch getrennte Signalübertragung Kalibrierung von Sensorsignalen Kalibrierung des Analogsignals Computer-gestützte Kalibrierung Elektronische Regler Grundlagen Regler-Typen P-Regler PI-Regler PID-Regler Einstellbarer PID-Regler Regelung nichtlinearer Strecken Statische Nichtlinearität Dynamische Nichtlinearität Nachlaufsynchronisation (PLL) Abtast-Halte-Glied als Phasendetektor Dynamisches Verhalten t Dimensionierung des Reglers Einrastvorgang Synchrongleichrichter als Phasendetektor Frequenzempfindlicher Phasendetektor Phasendetektor mit beliebig erweiterbarem Messbereich PLL als Frequenzvervielfacher Optoelektronische Bauelemente Photometrische Grundbegriffe Photowiderstand Photodiode Phototransistor Leuchtdioden Optokoppler Optische Anzeige Binär-Anzeise 1113

20 xxviii Inhaltsverzeichnis Analog-Anzeige Numerische Anzeige Multiplex Anzeige Alpha-Numerische Anzeige Segment-Anzeigen Punktmatrix-Anzeigen 1120 Teil III. Schaltungen der Nachrichtentechnik 21. Grundlagen r Nachrichtentechnische Systeme Übertragungskanäle Leitung Feldwellenwiderstand und Ausbreitungsgeschwindigkeit Leitungswellenwiderstand Leitungsgleichung Dämpfung Kenngrößen einer Leitung Vierpoldarstellung einer Leitung Leitung mit Abschluss Streifenleitung Drahtlose Verbindung Antennen Leistungsübertragung über eine drahtlose Verbindung Frequenzbereiche Faseroptische Verbindung Lichtwellenleiter Wellenlängenbereiche Vergleich der Übertragungskanäle Reflexionsfaktor und S-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 S-Matrix Messung der S-Parameter Zusammenhang mit den Y-Parametern S-Parameter eines Transistors Ortskurven Modulationsverfahren Amplitudenmodulation 1172

21 xxix Darstellung im Zeitbereich Darstellung im Frequenzbereich Modulation Demodulation Frequenzmodulation Darstellung im Zeitbereich Darstellung im Frequenzbereich Modulation Demodulation Digitale Modulationsverfahren Einfache Tastverfahren 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 Sender mit einer Zwischenfrequenz Sender mit zwei Zwischenfrequenzen Sender mit variabler Sendefrequenz Sender mit digitaler Modulation Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen Empfänger ' > Geradeausempfänger Überlagerungsempfänger HF-Filter! Vorverstärker Vorselektion ZF-Filter Überlagerungsempfänger mit zwei Zwischenfrequenzen Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen Verstärkungsregelung Regelverhalten Regelbarer Verstärker (VGA) Anordnung der Verstärkungsregelung im Empfänger Pegeldetektion Digitale Verstärkungsregelung 1238

22 Dynamikbereich eines Empfängers Rauschzahl des Empfängers Minimaler Empfangspegel Maximaler Empfangspegel Dynamikbereich Empfänger für digitale Modulationsverfahren Empfänger mit digitalen Kanalfiltern Empfänger mit ZF-Abtastung und digitalen Kanalfiltern Vergleich der Empfänger für digitale Modulationsverfahren Direktumsetzender Empfänger Passive Komponenten Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder Widerstand Spule Kondensator Filter LC-Filter Zweikreisiges Bandfilter Filter mit Leitungen Dielektrische Filter SAW-Filter Schaltungen zur Impedanztransformation Anpassung Anpassnetzwerke mit zwei Elementen Collins-Füter 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-Parameter eines Hybrids Hybride mit Spulen und Kondensatoren Hybride mit Leitungen Hochfrequenz-Verstärker Integrierte Hochfrequenz-Verstärker Anpassung Eingangsseitige Anpassung Ausgangsseitige Anpassung Rauschzahl 1309

23 Entwurf rau scharmer integrierter HF-Verstärker (LNA) Ohmsche Gegenkopplung bei niedrigen Frequenzen Gegenkopplung bei hohen Frequenzen HF-Verstärker mit Einzeltransistoren Verallgemeinerter Einzeltransistor Arbeitspunkteinstellung Gleichstromgegenkopplung Gleichspannungsgegenkopplung Arbeitspunktregelung Anpassung einstufiger Verstärker Bedingungen für die Anpassung Reflexionsfaktoren des Transistors Berechnung der Anpassung Stabilität bei der Betriebsfrequenz Berechnung der Anpassnetzwerke Stabilität im ganzen Frequenzbereich Leistungsverstärkung Anpassung mehrstufiger Verstärker Anpassung mit Serien-Induktivität Neutralisation Schaltungen zur Neutralisation Leistungsverstärkung bei Neutralisation Besondere Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung Anpassung mit Zirkulatoren Anpassung mit Hybriden Rauschen Rauschparameter und Rauschzahl Entwurf eines rauscharmen Verstärkers Breitband-Verstärker Prinzip eines Breitband-Verstärkers Ausführung eines Breitband-Verstärkers Kenngrößen von Hochfrequenz-Verstärkern., Leistungsverstärkung ( Klemmenleistungsgewinn Einfügungsgewinn Übertragungsgewinn Verfügbarer Leistungsgewinn Vergleich der Gewinn-Definitionen Gewinn bei beidseitiger Anpassung Maximaler Leistungsgewinn bei Transistoren Nichtlineare Kenngrößen Betriebsbedingungen Kennlinien eines Hochfrequenz-Verstärkers Kleinsignalverstärkung Kompressionspunkt Intermodulation Mischer 1371

24 xxxii Inhaltsverzeichnis 25.1 Funktionsprinzip eines idealen Mischers Aufwärtsmischer Abwärtsmischer Mischer mit Spiegelfrequenz-Unterdrückung Funktionsprinzipen bei praktischen Mischern Additive Mischung Gleichungsmäßige Beschreibung Nichtlinearität ' Praktische Ausführung Einsatz additiver Mischer Multiplikative Mischung Gleichungsmäßige Beschreibung Schaltverhalten der Schalter Nichtlinearität Praktische Ausführung Mischer mit Dioden Eintaktmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild Kleinsignalverhalten Mischverstärkung Mischgewinn Vergleich mit idealem Schalter Nachteile des Eintaktmischers Gegentaktmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten Vor- und Nachteile des Gegentaktmischers Ringmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten Breitbandiger Betrieb / Kleinsignalverhalten Anpassung : Mischgewinn Allgemeiner Fall Vergleich von Schmalband- und Breitbandbetrieb Kenngrößen ; Rauschen Verfahren zur Berechnung der Rauschzahl Näherungen für Schmalband-und Breitbandbetrieb Praktische Diodenmischer Passive Mischer mit Feldeffekttransistoren Eintaktmischer LO-Kreis Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten Nachteile des Eintaktmischers 1441

25 xxxiii Gegen taktmi scher Ringmischer Integrierte Fet-Mischer Eigenschaften von passiven Fet-Mischern Frequenzbereich LO-Leistung Nichtlinearität Rauschen Aktive Mischer mit Transistoren Gegentaktmischer Berechnung des Übertragungsverhaltens Rechteckförmige LO-Spannung Sinusförmige LO-Spannung Kleinsignalverhalten Mischverstärkung Bandbreite Anpassung Mischgewinn Praktische Ausführung l.lOGegentaktmischer mit Übertragern INachteil 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.', Vergleich aktiver und passiver Mischer { Rauschzahl, Intercept-Punkt und Dynamikbereich Bandbreite LO-Leistung Mischer mit Spiegelfrequenz-Unterdrückung Phasenschieber RC-Phasenschieber RC-Polyphasen-Filter Hybride als Phasenschieber Spiegelfrequenz-Unterdrückung Oszillatoren LC-Oszillatoren LC-Resonanzkreise Verstärker mit selektiver Mitkopplung Mitkopplung mit Parallelschwingkreis 1492

26 xxxiv Inhaltsverzeichnis 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 Negative Widerstände LC-Osziilatoren 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 f Schaltungen / Oszillatoren mit Leitungsresonatoren Oszillatoren mit dielektrisch'en Resonatoren Quarz-Oszillatoren Quarz-Resonatoren Ersatzschaltbild Impedanz und Resonanzfrequenzen Frequenzabgleich Verlustleistung Temperaturverhalten Schaltungen Taktoszillatoren Referenzoszillatoren Alternative Resonatoren Keramische Resonatoren Oberflächenwellen-Resonatoren 1567

27 xxxv 26.4 Frequenzabstimmung Varaktoren Bipolare Varaktoren MOS-Varaktoren Kleinsignalmodell Abstimmung Abstimmung eines Parallelschwingkreises Kennlinie Abstimmung eines Serienschwingkreises Breitband-Abstimmung Aussteuerung Modulation Amplitudenregelung Regelung und Begrenzung Regelmechanismen Regelung über den Ruhestrom Regelung mit Stromteiler Amplitudenmessung Phasenrauschen Darstellung im Zeit- und im Frequenzbereich Zeitbereich Frequenzbereich Entstehung Linearer Anteil Modulations- und Konversionsanteil Frequenzteilung und Frequenzvervielfachung Betrieb mit einer phasenstarren Schleife Vergleich verschiedener Oszillatoren Anhang PSpice-Kurzanleitung Grundsätzliches Programme und Dateien,/ Spiee ' PSpice, Ein einfaches Beispiel ' Eingabe des Schaltplans Simulationsanweisungen eingeben Simulation starten Anzeigen der Ergebnisse Arbeitspunkt anzeigen Netzliste und Ausgabedatei Weitere Simulationsbeispiele Kennlinien eines Transistors A.4.2 Verwendung von Parametern Einbinden weiterer Bibliotheken Einige typische Fehler Passive RC- und LRC-Netzwerke 1632

28 xxxvi Inhaltsverzeichnis Der Tiefpass Beschreibung im Frequenzbereich Beschreibung im Zeitbereich Der Hochpass Anwendung als Koppel-RC-Glied Anwendung als Differenzierglied Reihenschaltung mehrerer Hochpässe Kompensierter Spannungsteiler Passiver RC-Bandpass Wien-Robinson-Brücke Doppel-T-Filter Schwingkreis Erklärung der verwendeten Größen Typen der 7400-Logik-Familien Normwert-Reihen Farbcode Hersteller 1661 Literaturverzeichnis 1669 Sachverzeichnis 1673