Signal- und Rauschanalyse mit Quellenverschiebung

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1 Albrecht Zwick Jochen Zwick Xuan Phuc Nguyen Signal- und Rauschanalyse mit Quellenverschiebung Elektronische Schaltungen grafisch gelöst ^ Springer Vi eweg

2 Inhaltsverzeichnis 1 Rauschen in elektronischen Schaltungen Rauscharten Rauschmechanismen Thermisches Rauschen Schrotrauschen Stromrauschen Fehler bei linearer und quadratischer Addition durch Vernachlässigung Vernachlässigung kleiner Rauschgrößen Korrelation 13 2 Methoden und Werkzeuge zur Rauschberechnung Quellenverschiebung Bodeverfahren Resonanz und Resonanzüberhöhung im Bode-Diagramm 27 3 Verstärkerrauschen Die äquivalente Eingangsrauschspannungsquelle Messung von Rauschspannung un und Rauschstrom /# Parameter zur Beurteilung des Rauscheinflusses Rauschfaktor F Rauschmaß (Noise Figure) NF Signal-Rausch-Abstand Der optimale Quellenwiderstand Dimensionierungsvorgang 38 4 Rauschbegrenzung durch Filter Rauschbandbreite Gesamtrauschen bei Serienschaltung mehrerer unabhängiger gleicher Tiefpässe 42 VII

3 VIII Inhaltsverzeichnis 4.3 Die Rauschbandbreite bei Butterworth-Filtern Berechnung der Ausgangsrauschspannung im gesamten Frequenzbereich Berechnung der äquivalenten Eingangsrauschspannung in einem definierten Frequenzbereich Berechnung des Rauschens bei steigenden und fallenden Kennlinien der Frequenzabhängigkeit 48 5 Berechnung der äquivalenten Eingangsrauschquellen Die äquivalente Eingangsrauschspannungsquelle Rauschen in der Schaltung mit Parallelwiderstand Rauschen in der Schaltung mit Parallel-und Serien widerstand Die äquivalente Eingangsrauschstromquelle Kapazitive und induktive Sensoren Kapazitive Sensoren Induktive Sensoren Zusammenfassung Schaltung mit drei verschiedenen Bauteilen 68 6 Operationsverstärker Idealer Operationsverstärker Invertierende Schaltung Nichtinvertierende Schaltung Spannungsfolger Rauschbetrachtungen bei realen Operationsverstärkern Verschiebung einer Rauschquelle am Ausgang des OP's Schaltung mit Ausgangswiderstand R Schaltung mit verändertem Ausgang 83 7 Rauschmechanismen in Transistoren Transistorrauschen bei mittleren Frequenzen (1 khz... 1 MHz) Transistorrauschen bei tiefen Frequenzen Transistorrauschen bei höheren Frequenzen Transistorrauschen im gesamten Frequenzbereich Rauschen bei Feldeffekttransistoren Vergleich Bipolar- und Feldeffekttransistor Einsatz verschiedener aktiver Bauteile Grundschaltungen der Elektronik Rauschen der Arbeitspunkteinstellung Emitterschaltung Bestimmung des Gleichstrom-Arbeitspunktes/c Berechnung der Kleinsignalparameter Rauschen der Emitterschaltung Sourceschaltung 123

4 Inhaltsverzeichnis IX Bestimmung des Gleichstrom-Arbeitspunktes/d Kleinsignalbetrachtung Rauschen der Sourceschaltung Kollektorschaltung Bestimmung des Arbeitspunktes Kleinsignalbetrachtung Rauschen der Kollektorschaltung Basisschaltung Kleinsignalbetrachtung Rauschen der Basisschaltung Kollektorschaltung mit Bootstrapeffekt Kleinsignalbetrachtung Rauschen der Kollektorschaltung mit Bootstrap Vergleich mit Operationsverstärkerschaltung Signal Vergleich mit Operationsverstärkerschaltung - Rauschen Emitterschaltung mit Millereffekt Gleichstrom-Arbeitspunktes lc Spannungsverstärkung Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Rauschen der Emitterschaltung mit Millereffekt Rauschen in Kaskadenschaltungen Emitter-Emitter-Schaltung Kaskode-Schaltung Kollektor-Emitter-Schaltung Kollektor-Basisschaltung (Differenzverstärker) Schaltungen mit Feldeffekttransistoren Sonderschaltungen Übertrager Parallel-und Serienschaltungen von elektronischen Bauteilen Widerstände Parallelschaltung von Transistoren Parallelschaltung von Feldeffekttransistoren Parallelschaltung von Operationsverstärkern Rauschen eines Transistors als Diode Stromquellen Transistorstromquelle Transistorstromquelle mit Operationsverstärker Stromspiegel-Schaltungen Einfache Stromspiegel-Schaltung Wilson-Stromspiegel Widlar-Stromspiegel 183

5 X Inhaltsverzeichnis Erweiterte Stromspiegelschaltungen Zusammenfassung der Ergebnisse der Stromquellen und Stromspiegelschaltungen Beispiele Kapazitiver Sensor-Verstärker Schaltung Schaltung Impedanzwandler Brückenschaltung Berechnung der Spannungsverstärkung Berechnung der Offset-Fehlerspannung am Ausgang Rauschen der Brückenschaltung 215 Anhang A Algemeines 223 A.l Griechisches Alphabet 223 A.2 Sl-Präfixe 223 A.3 Formelzeichen 224 A.4 Schaltsymbole 227 Literaturverzeichnis 231 Sachverzeichnis 233