Grundlagen der analogen Schaltungstechnik Doz. Dr.-Ing. Edgar Balcke Dr.-Ing. Hans Krause 2., durchgesehene Auflage VB.VBRLACTECHN.K.ERUN ü
Inhaltsverzeichnis Schreibweise und Formelzeichen 14 1. Vierpole 17 1.1. Vierpolgleichungen und -parameter 17 1.2. Vierpolkenngrößen 22 2. Passive Netzwerke 27 2.1. Frequenz- und Zeitverhalten 27 2.2. Tiefpässe 32 2.3. Hochpässe 43 2.4. Bandpässe 48 2.5. Bandsperren 56 3. Aktive i?c-netzwerke 62 3.1. Theoretische Grundlagen 62 3.2. Aktive i?c-netzwerke mit Güteerhöhung durch rückgekoppelte Verstärker 66 3.3. Aktive i?c-netzwerke mit realisierten Induktivitäten durch rückgekoppelte Verstärker 71 3.3.1. Negativimpedanzkonverter (NIK) 71 3.3.2. Positivimpedanzinverter (PII), Gyrator 74 4. Dioden, Bipolar- und Unipolartransistoren 76 4.1. Dioden 76 4.1.1. Kennlinien und Kenndaten von Gleichrichterdioden 76 4.1.2. Z-Dioden 77 4.1.3. Kapazitätsdioden 78 4.2. Bipolartransistoren 79 4.2.1. Einführung 79 4.2.2. Kennlinienfelder und Vierpolparameter 80 4.2.3. Ersatzschaltungen 84 4.2.4. Transistorgrenzfrequenzen 85 4.2.5. Temperaturverhalten 87 4.3. Unipolartransistoren 89 4.3.1. Einführung 89 4.3.2. Kennlinien und Vierpolparameter eines MOSFETs 90 4.3.3. Temperaturverhalten 92
8 Inhaltsverzeichnis 5. Prinzip eines Verstärkers 93 6. Arbeitspunkteinstellung und Stabilisierung 97 6.1. Wahl des Arbeitspunktes 97 6.2. Einstellung des Arbeitspunktes 97 6.2.1. Einstellung des Arbeitspunktes beim Bipolartransistor 97 6.2.2. Einstellung des Arbeitspunktes beim Feldeffekttransistor... 99 6.3. Aussteuerung im Kennlinienfeld 101 6.3.1. Gleichstrom-und Wechselstromwiderstandsgeraden 101 6.3.2. Strom- und Spannungssteuerung 103 6.4. Stabilisierung des Arbeitspunktes eines Vorverstärkers mit Bipolartransistoren gegen Temperaturänderungen und Exemplarstreuungen 106 6.4.1. Temperaturabhängigkeit der Transistordaten 107 6.4.2. Änderung des Arbeitspunktes infolge Temperaturänderung und Exemplarstreuung 108 6.4.3. Stabilisierung des Arbeitspunktes 110 7. Verstärkergrundschaltungen 113 7.1. Einführung 113 7.2. Emitterschaltung, Sourceschaltung 114 7.3. Basisschaltung, Gateschaltung 123 7.4. Kollektorschaltung, Drainschaltung 125 7.5. Messung der Wechselstromkenngrößen 127 7.5.1. Messung des Eingangswiderstandes 128 7.5.2. Messung des Transistorausgangswiderstandes 128 7.5.3. Messung der Spannungsverstärkung 128 7.5.4. Messung der Stromverstärkung 129 7.6. Rauschen 129 7.6.1. Widerstandsrauschen 129 7.6.2. Transistorrauschen 130 7.6.3. Praktische Rauschkennwerte 132 7.6.4. Messung der Rauschzahl 133 7.7. Mehrstufige Verstärker 134 8. Verstärker mit Gegenkopplung 135 8.1. Einführung 135 8.2. Gegenkopplung über eine Stufe 138 8.2.1. Reihe-Reihe-Gegenkopplung 138 8.2.2. Parallel-Parallel-Gegenkopplung 142 8.2.3. Zwei Gegenkopplungen in einer Stufe 144 8.3. Gegenkopplung über mehrere Stufen 146 8.4. Einfluß der Gegenkopplung auf Verstärkungsschwankungen, lineare und nichtlineare Verzerrungen 149 8.4.1. Erhöhung der Konstanz der Verstärkung 149
Inhaltsverzeichnis 9 8.4.2. Verminderung der linearen Verzerrungen 149 8.4.3. Verminderung der nichtlinearen Verzerrungen 150 8.5. Stabilität gegengekoppelter Verstärker 151 9. Spezielle Grundschaltungen 155 9.1. Bootstrapschaltung 155 9.2. Darlingtonschaltung 158 9.3. Dreistufiger galvanisch gekoppelter NF-Verstärker 160 9.4. Doppelstufe mit Gegenkopplung über zwei Transistoren 162 9.4.1. Doppelstufe mit Gleichspannungsgegenkopplung 163 9.4.2. Doppelstufe mit Gleich- und Wechselspannungsgegenkopplung... 164 9.5. Differenzverstärker 165 9.5.1. Grundschaltung des Differenzverstärkers 165 9.5.2. Regelbarer Differenzverstärker 169 9.6. Der Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand 171 10. Frequenzverhalten von Verstärkern 173 10.1. Einführung 173 10.2. Verhalten bei tiefen Frequenzen 174 10.3. Verhalten bei hohen Frequenzen 178 10.3.1. Untersuchung mit Hilfe von Ersatzschaltungen für die Emitterschaltung 178 10.3.2. Untersuchung mit Hilfe von frequenzabhängigen, komplexen ^-Parametern 183 10.3.2.1. Frequenzabhängigkeit der komplexen j-parameter 183 10.3.2.2. Emitterschaltung 185 10.3.2.3. Basisschaltung 187 10.3.2.4. Kollektorschaltung, Emitterfolger 188 11. Einführung in die monolithisch integrierten analogen Schaltungen 191 11.1. Besonderheiten der integrierten Schaltungen 191 11.2. Aufbau monolithisch integrierter Schaltungen 192 11.3. Grundschaltungen 194 11.3.1. Differenzverstärker mit Konstantstromquelle 194 11.3.2. Stromspiegel 195 11.3.3. Darlingtonschaltung 196 11.3.4. Ausgangsstufe 197 11.4. Operationsverstärker A 109 C 198 12. Operationsverstärker 202 12.1. Einführung 202 12.2. Kenngrößen und Eigenschaften 203 12.2.1. Transferkennlinie 206
10 Inhaltsverzeichnis 12.3. Grundschaltungen 208 12.3.1. Transformation von Widerständen, virtuelle Masse 208 12.3.2. Invertierender Verstärker 210 12.3.3. Nichtinvertierender Verstärker 216 12.4. Offset und Drift 219 12.5. Frequenzkompensation, Phasenkompensation 221 12.5.1. Stabilitätsbedingung für Operationsverstärker 221 12.5.2. Phasenspielraum 223 12.5.2.1. Einfluß des Phasenspielraumes auf das Frequenzverhalten der Verstärkung mit Gegenkopplung 223 12.5.2.2. Einfluß des Phasenspielraumes auf das Impulsverhalten 227 12.5.3. Kompensationsschaltungen 227 12.5.3.1. 90 -Kompensation 227 12.5.3.2. 60 -Kompensation 235 12.5.3.3. Anschaltstelle der Kompensationsglieder 235 12.5.3.4. Kompensationsschaltung für den Operationsverstärker A 109 C... 236 12.6. Schutzschaltungen 237 13. Anwendungen von Operationsverstärkern 239 13.1. Addierschaltung 239 13.2. Subtrahierschaltung 240 13.3. Integrierschaltung 240 13.4. Differenzierschaltung 241 13.5. Logarithmierschaltung 245 13.6. Potenzierschaltung 246 13.7. Multiplizierschaltungen 246 13.7.1. Multiplizierer mit logarithmischen Funktionsgeneratoren 247 13.7.1.1. Einquadranten-Multiplikator 247 13.7.1.2. Zweiquadranten-Multiplikator 247 13.7.1.3. Vierquadranten-Multiplikator 249 13.7.2. Multiplizierer mit quadrierenden Funktionsgeneratoren 251 13.8. Dividierschaltung 251 13.9. Diodenfunktionsgenerator 252 13.10. Konstantstromquellen 255 13.10.1. Konstantstromquelle mit erdfreiem Lastwiderstand 256 13.10.2. Konstantstromquelle mit geerdetem Lastwiderstand 257 13.11. Konstantspannungsquellen 258 13.12. Zweiweggleichrichter 259 13.13. Phasenempfindlicher Gleichrichter 259 13.14. Komparatoren 259 13.15. Schmitt-Trigger 261 13.16. Spannungs-Frequenz-Wandler 264
Inhaltsverzeichnis 11 14. Messung der wichtigsten Operationsverstärkerdaten 267 14.1. Messung der Offsetspannung 267 14.2. Messung der Eingangsströme 268 14.3. Messung der Verstärkung ohne Gegenkopplung (Leerlaufverstärkung, Differenzverstärkung) 268 14.4. Messung der Gleichtaktunterdrückung 269 14.5. Messung des Differenzeingangswiderstandes 270 15. Selektiwerstärker 271 15.1. Einführung 271 15.2. Selektivverstärker mit Einzelkreis 273 15.2.1. Einzelkreisverstärker mit direkter Ankopplung von Transistor und Belastung 273 15.2.2. Einzelkreisverstärker mit transformatorischer Ankopplung der Belastung 277 15.2.3. Einzelkreisverstärker mit transformatorischer Ankopplung des Transistors und der Belastung 280 15.2.4. Neutralisation 282 15.3. Mehrstufige Einzelkreisverstärker 284 15.3.1. Verstärker mit m gleichen, auf die Bandmittenfrequenz abgestimmten Kreisen 284 15.3.2. Verstärker mit m gegeneinander verstimmten Kreisen 285 15.3.2.1. Dimensionierung des Potenzverstärkers 287 15.3.2.2. Dimensionierung des Tschebyscheffverstärkers 288 15.4. Selektivverstärker mit zwei gekoppelten Kreisen (Bandfilter) 288 15.5. Selektivverstärker mit konzentrierten Filtern und integrierten Schaltkreisen 293 15.5.1. Selektivverstärker mit Mehrkreisfiltern aus LC-Schwingkreisen... 294 15.5.1.1. Dimensionierung von Mehrkreisfiltern mit LC-Schwingkreisen... 295 15.5.1.2. AM/FM-Selektivverstärker mit der IS A 281 D 306 15.5.1.3. FM-Selektivverstärker mit der IS A 220 D 307 15.5.2. Selektivverstärker mit piezokeramischen Filtern 313 15.5.3. Selektivverstärker mit Oberflächenwellenfilter 314 16. Leistungsverstärker 316 16.1. Einführung 316 16.2. Eintakt-A-Verstärker 317 16.2.1. Eintakt-A-Verstärker mit ohmschem Lastwiderstand 317 16.2.2. Eintakt-A-Verstärker mit transformatorisch angekoppeltem Lastwiderstand 320 16.3. Gegentakt-B-Verstärker mit eisenloser Endstufe 323 16.3.1. Wirkungsweise der Gegentakt-B-Endstufe 323 16.3.2. Berechnung der eisenlosen Endstufe 324 16.3.3. Schaltungsvarianten und deren Ansteuerung 329 16.3.4. Nichtlineare Verzerrungen 333
12 Inhaltsverzeichnis 16.4. Leistungsverstärker mit integrierten Schaltkreisen 333 16.4.1. 1-W-NF-Verstärker A 211 D 333 16.4.2. 6-W-NF-Verstärker A 210 D/K 340 17. Oszillatoren 345 17.1. Grundlagen 345 17.2. i?c-generatoren 350 17.2.1. Wienbrücken-Generatoren 350 17.2.2. jrc-generatoren mit Phasenkette 352 17.3. LC-Generatoren 353 17.3.1. Meißner-Oszillator 353 17.3.2. Colpitts-Oszillator 355 17.3.3. Clapp-Oszillator 356 17.4. Quarzgeneratoren 357 17.5. Generatoren mit integrierten Schaltkreisen 359 18. Netzgleichrichter- und Stabilisierungsschaltungen 362 18.1. Gleichrichterschaltungsarten... 362 18.1.1. Einweggleichrichter E... 362 18.1.2. Zweiweggleichrichter, Mittelpunktschaltung M 363 18.1.3. Zweiweggleichrichter, Brückenschaltung B 364 18.1.4. Drehstrom-Gleichrichterschaltungen 365 18.1.5. Spannungsverdopplerschaltungen 365 18.1.6. Spannungsvervielfacher Schaltung 367 18.2. Berechnung der Gleichrichterschaltungen 367 18.2.1. Mittelwert der Gleichspannung am Ladekondensator Ü- 367 18.2.2. Welligkeitsspannung 367 18.2.3. Stromflußwinkel 368 18.2.4. Unsymmetriewinkel 369 18.2.5. Scheitelwert des Gleichrichterstromes 370 18.2.6. Effektivwert des sekundären Trafowechselstromes 370 18.2.7. Effektivwert des primären Trafowechselstromes 371 18.3. Siebschaltungen 372 18.4. Stabilisierungsschaltungen 373 18.4.1. Stabilisierungsschaltungen mit Z-Dioden 373 18.4.2. Stabilisierung mit Verstärker im Regelkreis 377 18.4.3. Elektronische Sicherung 381 18.5. Selbstschwingende Wandler, Transverter 382 18.5.1. Sperrwandler 382 18.5.2. Stromflußwandler 385 18.5.3. Summierwandler 385 18.5.4. Gegentaktwandler 386 18.6. Schaltnetzteile 386 18.6.1. Schaltnetzteil mit Sekundärschaltregler 386 18.6.2. Schaltnetzteil mit Primärschaltregler 387
Inhaltsverzeichnis 13 18.7. Gleichspannungsregler mit integrierten Schaltkreisen 389 19. Auswerteschaltungen 392 19.1. Aufbau und Wirkungsweise 392 19.2. Anwendung der IS A 301 D 394 19.2.1. Dimensionierung der Oszillatorschaltung 394 19.2.2. Induktiver Schlitzinitiator 395 19.2.3. Windungsschlußprüfer 396 19.2.4. Schwellwertschalter mit Relaisausgang 396 19.2.5. Einfache Lichtschranke 396 19.2.6. Empfindliche Lichtschranke 397 19.2.7. Frequenzmesser mit analoger Anzeige 397 20. Übersicht zu integrierten analogen Schaltkreisen 398 Literaturverzeichnis 400 Sachwörterverzeichnis 403