Grundlagen der analogen Schaltungstechnik

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1 Grundlagen der analogen Schaltungstechnik Doz. Dr.-Ing. Edgar Balcke Dr.-Ing. Hans Krause 2., durchgesehene Auflage VB.VBRLACTECHN.K.ERUN ü

2 Inhaltsverzeichnis Schreibweise und Formelzeichen Vierpole Vierpolgleichungen und -parameter Vierpolkenngrößen Passive Netzwerke Frequenz- und Zeitverhalten Tiefpässe Hochpässe Bandpässe Bandsperren Aktive i?c-netzwerke Theoretische Grundlagen Aktive i?c-netzwerke mit Güteerhöhung durch rückgekoppelte Verstärker Aktive i?c-netzwerke mit realisierten Induktivitäten durch rückgekoppelte Verstärker Negativimpedanzkonverter (NIK) Positivimpedanzinverter (PII), Gyrator Dioden, Bipolar- und Unipolartransistoren Dioden Kennlinien und Kenndaten von Gleichrichterdioden Z-Dioden Kapazitätsdioden Bipolartransistoren Einführung Kennlinienfelder und Vierpolparameter Ersatzschaltungen Transistorgrenzfrequenzen Temperaturverhalten Unipolartransistoren Einführung Kennlinien und Vierpolparameter eines MOSFETs Temperaturverhalten 92

3 8 Inhaltsverzeichnis 5. Prinzip eines Verstärkers Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung Wahl des Arbeitspunktes Einstellung des Arbeitspunktes Einstellung des Arbeitspunktes beim Bipolartransistor Einstellung des Arbeitspunktes beim Feldeffekttransistor Aussteuerung im Kennlinienfeld Gleichstrom-und Wechselstromwiderstandsgeraden Strom- und Spannungssteuerung Stabilisierung des Arbeitspunktes eines Vorverstärkers mit Bipolartransistoren gegen Temperaturänderungen und Exemplarstreuungen Temperaturabhängigkeit der Transistordaten Änderung des Arbeitspunktes infolge Temperaturänderung und Exemplarstreuung Stabilisierung des Arbeitspunktes Verstärkergrundschaltungen Einführung Emitterschaltung, Sourceschaltung Basisschaltung, Gateschaltung Kollektorschaltung, Drainschaltung Messung der Wechselstromkenngrößen Messung des Eingangswiderstandes Messung des Transistorausgangswiderstandes Messung der Spannungsverstärkung Messung der Stromverstärkung Rauschen Widerstandsrauschen Transistorrauschen Praktische Rauschkennwerte Messung der Rauschzahl Mehrstufige Verstärker Verstärker mit Gegenkopplung Einführung Gegenkopplung über eine Stufe Reihe-Reihe-Gegenkopplung Parallel-Parallel-Gegenkopplung Zwei Gegenkopplungen in einer Stufe Gegenkopplung über mehrere Stufen Einfluß der Gegenkopplung auf Verstärkungsschwankungen, lineare und nichtlineare Verzerrungen Erhöhung der Konstanz der Verstärkung 149

4 Inhaltsverzeichnis Verminderung der linearen Verzerrungen Verminderung der nichtlinearen Verzerrungen Stabilität gegengekoppelter Verstärker Spezielle Grundschaltungen Bootstrapschaltung Darlingtonschaltung Dreistufiger galvanisch gekoppelter NF-Verstärker Doppelstufe mit Gegenkopplung über zwei Transistoren Doppelstufe mit Gleichspannungsgegenkopplung Doppelstufe mit Gleich- und Wechselspannungsgegenkopplung Differenzverstärker Grundschaltung des Differenzverstärkers Regelbarer Differenzverstärker Der Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand Frequenzverhalten von Verstärkern Einführung Verhalten bei tiefen Frequenzen Verhalten bei hohen Frequenzen Untersuchung mit Hilfe von Ersatzschaltungen für die Emitterschaltung Untersuchung mit Hilfe von frequenzabhängigen, komplexen ^-Parametern Frequenzabhängigkeit der komplexen j-parameter Emitterschaltung Basisschaltung Kollektorschaltung, Emitterfolger Einführung in die monolithisch integrierten analogen Schaltungen Besonderheiten der integrierten Schaltungen Aufbau monolithisch integrierter Schaltungen Grundschaltungen Differenzverstärker mit Konstantstromquelle Stromspiegel Darlingtonschaltung Ausgangsstufe Operationsverstärker A 109 C Operationsverstärker Einführung Kenngrößen und Eigenschaften Transferkennlinie 206

5 10 Inhaltsverzeichnis Grundschaltungen Transformation von Widerständen, virtuelle Masse Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Offset und Drift Frequenzkompensation, Phasenkompensation Stabilitätsbedingung für Operationsverstärker Phasenspielraum Einfluß des Phasenspielraumes auf das Frequenzverhalten der Verstärkung mit Gegenkopplung Einfluß des Phasenspielraumes auf das Impulsverhalten Kompensationsschaltungen Kompensation Kompensation Anschaltstelle der Kompensationsglieder Kompensationsschaltung für den Operationsverstärker A 109 C Schutzschaltungen Anwendungen von Operationsverstärkern Addierschaltung Subtrahierschaltung Integrierschaltung Differenzierschaltung Logarithmierschaltung Potenzierschaltung Multiplizierschaltungen Multiplizierer mit logarithmischen Funktionsgeneratoren Einquadranten-Multiplikator Zweiquadranten-Multiplikator Vierquadranten-Multiplikator Multiplizierer mit quadrierenden Funktionsgeneratoren Dividierschaltung Diodenfunktionsgenerator Konstantstromquellen Konstantstromquelle mit erdfreiem Lastwiderstand Konstantstromquelle mit geerdetem Lastwiderstand Konstantspannungsquellen Zweiweggleichrichter Phasenempfindlicher Gleichrichter Komparatoren Schmitt-Trigger Spannungs-Frequenz-Wandler 264

6 Inhaltsverzeichnis Messung der wichtigsten Operationsverstärkerdaten Messung der Offsetspannung Messung der Eingangsströme Messung der Verstärkung ohne Gegenkopplung (Leerlaufverstärkung, Differenzverstärkung) Messung der Gleichtaktunterdrückung Messung des Differenzeingangswiderstandes Selektiwerstärker Einführung Selektivverstärker mit Einzelkreis Einzelkreisverstärker mit direkter Ankopplung von Transistor und Belastung Einzelkreisverstärker mit transformatorischer Ankopplung der Belastung Einzelkreisverstärker mit transformatorischer Ankopplung des Transistors und der Belastung Neutralisation Mehrstufige Einzelkreisverstärker Verstärker mit m gleichen, auf die Bandmittenfrequenz abgestimmten Kreisen Verstärker mit m gegeneinander verstimmten Kreisen Dimensionierung des Potenzverstärkers Dimensionierung des Tschebyscheffverstärkers Selektivverstärker mit zwei gekoppelten Kreisen (Bandfilter) Selektivverstärker mit konzentrierten Filtern und integrierten Schaltkreisen Selektivverstärker mit Mehrkreisfiltern aus LC-Schwingkreisen Dimensionierung von Mehrkreisfiltern mit LC-Schwingkreisen AM/FM-Selektivverstärker mit der IS A 281 D FM-Selektivverstärker mit der IS A 220 D Selektivverstärker mit piezokeramischen Filtern Selektivverstärker mit Oberflächenwellenfilter Leistungsverstärker Einführung Eintakt-A-Verstärker Eintakt-A-Verstärker mit ohmschem Lastwiderstand Eintakt-A-Verstärker mit transformatorisch angekoppeltem Lastwiderstand Gegentakt-B-Verstärker mit eisenloser Endstufe Wirkungsweise der Gegentakt-B-Endstufe Berechnung der eisenlosen Endstufe Schaltungsvarianten und deren Ansteuerung Nichtlineare Verzerrungen 333

7 12 Inhaltsverzeichnis Leistungsverstärker mit integrierten Schaltkreisen W-NF-Verstärker A 211 D W-NF-Verstärker A 210 D/K Oszillatoren Grundlagen i?c-generatoren Wienbrücken-Generatoren jrc-generatoren mit Phasenkette LC-Generatoren Meißner-Oszillator Colpitts-Oszillator Clapp-Oszillator Quarzgeneratoren Generatoren mit integrierten Schaltkreisen Netzgleichrichter- und Stabilisierungsschaltungen Gleichrichterschaltungsarten Einweggleichrichter E Zweiweggleichrichter, Mittelpunktschaltung M Zweiweggleichrichter, Brückenschaltung B Drehstrom-Gleichrichterschaltungen Spannungsverdopplerschaltungen Spannungsvervielfacher Schaltung Berechnung der Gleichrichterschaltungen Mittelwert der Gleichspannung am Ladekondensator Ü Welligkeitsspannung Stromflußwinkel Unsymmetriewinkel Scheitelwert des Gleichrichterstromes Effektivwert des sekundären Trafowechselstromes Effektivwert des primären Trafowechselstromes Siebschaltungen Stabilisierungsschaltungen Stabilisierungsschaltungen mit Z-Dioden Stabilisierung mit Verstärker im Regelkreis Elektronische Sicherung Selbstschwingende Wandler, Transverter Sperrwandler Stromflußwandler Summierwandler Gegentaktwandler Schaltnetzteile Schaltnetzteil mit Sekundärschaltregler Schaltnetzteil mit Primärschaltregler 387

8 Inhaltsverzeichnis Gleichspannungsregler mit integrierten Schaltkreisen Auswerteschaltungen Aufbau und Wirkungsweise Anwendung der IS A 301 D Dimensionierung der Oszillatorschaltung Induktiver Schlitzinitiator Windungsschlußprüfer Schwellwertschalter mit Relaisausgang Einfache Lichtschranke Empfindliche Lichtschranke Frequenzmesser mit analoger Anzeige Übersicht zu integrierten analogen Schaltkreisen 398 Literaturverzeichnis 400 Sachwörterverzeichnis 403