Ulrich Tietze • Christoph Schenk • Eberhard Gamm

Halbleiter-Schaltungstechnik 13., neu bearb. Aufl.

4y Springer

Inhaltsübersicht

Teil I. Grundlagen ' 1. Diode 2. Bipolartransistor 3. Feldeffekttransistor 4. Verstärker 5. Operationsverstärker 6. Digitaltechnik Grundlagen 7. Schaltnetze (Kombinatorische Logik) 8. Schaltwerke (Sequentielle Logik) 9. Halbleiterspeicher

3 35 177 279 509 613 647 673 707

:

Teil II. Anwendungen 10. Analogrechenschaltungen 11. Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter 12. Aktive Filter 13. Signalgeneratoren 14. Leistungsverstärker 15. Stromversorgung 16. DA- und AD-Umsetzer 17. Messschaltungen 18. Sensorik 19. Elektronische Regler 20. Optoelektronische Bauelemente

J. '

739 767 787 847 863 889 963 1009 1037 1081 1105

Teil III. Schaltungen der Nachrichtentechnik 21. Grundlagen 22. Sender und Empfänger 23. Passive Komponenten 24. Hochfrequenz-Verstärker 25. Mischer 26. Oszillatoren

1127 1217 1267 1305 1371 1487

27. Anhang

1605

Literaturverzeichnis Sachverzeichnis

1669 1673

Inhaltsverzeichnis

Teil I. Grundlagen 1. Diode 1.1 Verhalten einer Diode 1.1.1 Kennlinie '. 1.1.2 Beschreibung durch Gleichungen 1.1.3 Schaltverhalten 1.1.3.1 Schalt verhalten bei ohmscher Last 1.1.3.2 Schaltverhalten bei ohmsch-induktiver Last 1.1.4 Klein signal verhalten 1.1.5 Grenzdaten und Sperrströme 1.1.5.1 Grenzspannungen 1.1.5.2 Grenzströme 1.1.5.3 Sperrstrom 1.1.5.4 Maximale Verlustleistung 1.1.6 Thermisches Verhalten 1.1.7 Temperaturabhängigkeit der Diodenparameter 1.2 Aufbau einer Diode 1.2.1 Einzeldiode 1.2.1.1 Innerer Aufbau 1.2.1.2 Gehäuse 1.2.2 Integrierte Diode 1.2.2.1 Innerer Aufbau 1.2.2.2 Substrat-Diode 1.2.2.3 Unterschiede zwischen integrierten pn- und Schottky-Dioden 1.3 Modell für eine Diode / J 1.3.1 Statisches Verhalten . 1.3.1.1 Bereich mittlerer Durchlassströme 1.3.1.2 Weitere Effekte : 1.3.1.3 Bahnwiderstand 1.3.2 Dynamisches Verhalten 1.3.2.1 Sperrschichtkapazität 1.3.2.2 Diffusionskapazität 1.3.3 Vollständiges Modell einer Diode 1.3.4 Kleinsignalmodell 1.3.4.1 Statisches Kleinsignalmodell 1.3.4.2 Dynamisches Kleinsignalmodell 1.4 Spezielle Dioden und ihre Anwendung 1.4.1 Z-Diode 1.4.1.1 Kennlinie im Durchbruchbereich 1.4.1.2 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode

3 4 4 5 7 8 9 10 10 10 11 11 11 12 12 ' 13 13 13 14 14 15 15 15 15 15 16 16 18 18 19 19 20 21 21 23 24 24 24 25

Inhaltsverzeichnis

1.4.1.3 Spannungsbegrenzung mit Z-Dioden 1.4.2 pin-Diode 1.4.3 Kapazitätsdiode 1.4.4 Brückengleichrichter 1.4.5 Mischer 2. Bipolartransistor 2.1 Verhalten eines Bipolartransistors 2.1.1 Kennlinien 2.1.1.1 Ausgangskennlinienfeld 2.1.1.2 Übertragungskennlinienfeld 2.1.1.3 Eingangskennlinienfeld 2.1.1.4 Stromverstärkung 2.1.2 Beschreibung durch Gleichungen 2.1.2.1 Early-Effekt 2.1.2.2 Basisstrom und Stromverstärkung 2.1.2.3 Großsignalgleichungen 2.1.3 Verlauf der Stromverstärkung 2.1.3.1 Gummel-Plot 2.1.3.2 Darstellung des Verlaufs 2.1.3.3 Bestimmung der Werte 2.1.4 Arbeitspunkt und Kleinsignalverhalten 2.1.4.1 Bestimmung des Arbeitspunkts 2.1.4.2 Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter . . . 2.1.4.3 Kleinsignalersatzschaltbild 2.1.4.4 Vierpol-Matrizen 2.1.4.5 Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung 2.1.5 Grenzdaten und Sperrströme 2.1.5.1 Durchbruchsspannungen 2.1.5.2 Durchbruch 2. Art 2.1.5.3 Grenzströme 2.1.5.4 ' Sperrströme , 2.1.5.5 Maximale Verlustleistung . . . /. 2.1.5.6 Zulässiger Betriebsbereich 2.1.6 Thermisches Verhalten : 2.1.6.1 Thermisches Ersatzschaltbild 2.1.6.2 Thermisches Verhalten bei statischem Betrieb 2.1.6.3 Thermisches Verhalten bei Pulsbetrieb 2.1.7 Temperaturabhängigkeit der Transistorparameter 2.2 Aufbau eines Bipolartransistors 2.2.1 Einzeltransistoren 2.2.1.1 Innerer Aufbau ; 2.2.1.2 Gehäuse 2.2.1.3 Komplementäre Transistoren 2.2.2 Integrierte Transistoren 2.2.2.1 Innerer Aufbau 2.3 Modelle für den Bipolartransistor 2.3.1 Statisches Verhalten

26 27 28 30 31 35 35 36 36 37 37 37 37 38 38 39 39 39 40 41 41 42 43 45 46 46 47 47 49 49 49 49 50 51 52 53 54 55 57 57 57 57 59 59 59 60 60

Inhaltsverzeichnis

2.4

2.3.1.1 Das Ebers-Moll-Modell 60 2.3.1.2 Das Transportmodell 63 2.3.1.3 Weitere Effekte 65 2.3.1.4 Stromverstärkung bei Normalbetrieb 68 2.3.1.5 Substrat-Dioden 69 2.3.1.6 Bahnwiderstände 69 2.3.2 Dynamisches Verhalten 71 2.3.2.1 Sperrschichtkapazitäten 71 2.3.2.2 Diffusionskapazitäten 73 2.3.2.3 Gummel-Poon-Modell 74 2.3.3 Kleinsignalmodell 78 2.3.3.1 Statisches Kleinsignalmodell 78 2.3.3.2 Dynamisches Kleinsignalmodell 80 2.3.3.3 Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb 81 2.3.3.4 Zusammenfassung der Kleinsignalparameter 85 2.3.4 Rauschen 85 2.3.4.1 Rauschdichten 85 2.3.4.2 Rauschquellen eines Bipolartransistors 88 2.3.4.3 Äquivalente Rauschquellen 88 2.3.4.4 Ersatzrauschquelle und Rauschzahl 91 2.3.4.5 Rauschzahl eines Bipolartransistors 92 2.3.4.6 Bestimmung des Basisbahnwiderstands 101 Grundschaltungen 101 2.4.1 Emitterschaltung 102 2.4.1.1 Übertragungskennlinie der Emitterschaltung 102 2.4.1.2 Kleinsignal verhalten der Emitterschaltung 104 2.4.1.3 Nichtlinearität 107 2.4.1.4 Temperaturabhängigkeit 107 2.4.1.5 Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung 108 2.4.1.6 Emitterschaltung mit Spannungsgegenkopplung 114 2.4.1.7 Arbeitspunkteinstellung 121 2.4.1.8 'Frequenzgang und obere Grenzfrequenz "129 2.4.1.9 Zusammenfassung /. 136 2.4.2 Kollektorschaltung 138 2.4.2.1 Übertragungskennlinie der Kollektorschaltung 138 2.4.2.2 Kleinsignalverhalten der Kollektorschaltung 140 2.4.2.3 Nichtlinearität 143 2.4.2.4 Temperaturabhängigkeit 144 2.4.2.5 Arbeitspunkteinstellung :. . .. 144 2.4.2.6 Frequenzgang und obere Grenzfrequenz 147 2.4.2.7 Impedanztransformation mit der Kollektorschaltung .. 153 2.4.3 Basisschaltung 155 2.4.3.1 Übertragungskennlinie der Basisschaltung 155 2.4.3.2 Kleinsignalverhalten der Basisschaltung 157 2.4.3.3 Nichtlinearität 160 2.4.3.4 Temperaturabhängigkeit 160 2.4.3.5 Arbeitspunkteinstellung 161

Inhaltsverzeichnis

2.4.3.6 Frequenzgang und obere Grenzfrequenz Darlington-Schaltung 2.4.4.1 Kennlinien eines Darlington-Transistors 2.4.4.2 Beschreibung durch Gleichungen 2.4.4.3 Verlauf der Stromverstärkung 2.4.4.4 Kleinsignalverhalten , 2.4.4.5 Schaltverhalten 3. Feldeffekttransistor 3.1 Verhalten eines Feldeffekttransistors 3.1.1 Kennlinien 3.1.1.1 Ausgangskennlinienfeld 3.1.1.2 Abschnürbereich 3.1.1.3 Übertragungskennlinienfeld 3.1.1.4 Eingangskennlinien 3.1.2 Beschreibung durch Gleichungen 3.1.2.1 Verlauf der Kennlinien 3.1.2.2 Steilheitskoeffizient 3.1.2.3 Alternative Darstellung 3.1.2.4 Kanallängenmodulation 3.1.3 Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand 3.1.4 Arbeitspunkt und Kleinsignal verhalten 3.1.4.1 Arbeitspunkt 3.1.4.2 Kleinsignalgleichungen und Kleinsignalparameter . . . 3.1.4.3 Kleinsignalersatzschaltbild 3.1.4.4 Vierpol-Matrizen 3.1.4.5 Gültigkeitsbereich der Kleinsignalbetrachtung 3.1.5 Grenzdaten und Sperrströme 3.1.5.1 Durchbruchsspannungen 3.1.5.2 Grenzströme 3.1.5.3 Sperrströme 3.1.5.4 ' Maximale Verlustleistung f 3.1.5.5 Zulässiger Betriebsbereich . . . /. 3.1.6 Thermisches Verhalten 3.1.7 Temperaturabhängigkeit der Fet-Parameter 3.1.7.1 Mosfet 3.1.7.2 Sperrschicht-Fet 3.2 Aufbau eines Feldeffekttransistors 3.2.1 Integrierte Mosfets 3.2.1.1 Aufbau 3.2.1.2 CMOS 3.2.1.3 Bulk-Dioden 3.2.1.4 Latch-up 3.2.1.5 Mosfets für höhere Spannungen 3.2.2 Einzel-Mosfets 3.2.2.1 Aufbau 3.2.2.2 Parasitäre Elemente 3.2.2.3 Kennlinien von vertikalen Leistungs-Mosfets 2.4.4

163 166 168 169 170 172 174 177 178 180 180 180 182 182 183 184 185 186 186 187 189 189 190 192 192 192 193 193 195 195 196 197 197 197 197 199 199 199 199 200 200 201 201 202 202 203 204

Inhaltsverzeichnis

3.3

3.4

3.2.3 Sperrschicht-Fets 3.2.4 Gehäuse Modelle für den Feldeffekttransistor 3.3.1 Statisches Verhalten 3.3.1.1 Level-1-Mosfet-Modell 3.3.1.2 Bahnwiderstände 3.3.1.3 Vertikale Leistungs-Mosfets 3.3.1.4 Sperrschicht-Fets 3.3.2 Dynamisches Verhalten 3.3.2.1 Kanalkapazitäten 3.3.2.2 Überlappungskapazitäten 3.3.2.3 Sperrschichtkapazitäten 3.3.2.4 Level-1-Mosfet-Modell 3.3.2.5 Einzel-Mosfets 3.3.2.6 Sperrschicht-Fet-Modell 3.3.3 Kleinsignalmodell 3.3.3.1 Statisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich . . . 3.3.3.2 Dynamisches Kleinsignalmodell im Abschnürbereich 3.3.3.3 Grenzfrequenzen bei Kleinsignalbetrieb 3.3.3.4 Zusammenfassung der Kleinsignalparameter 3.3.4 Rauschen 3.3.4.1 Rauschquellen eines Feldeffekttransistors 3.3.4.2 Äquivalente Rauschquellen 3.3.4.3 Ersatzrauschquelle und Rauschzahl 3.3.4.4 Rauschzahl eines Fets 3.3.4.5 Vergleich der Rauschzahlen von Fet und Bipolartransistor Grundschaltungen 3.4.1 Sourceschaltung 3.4.1.1 Übertragungskennlinie der Sourceschaltung 3.4.1.2 Kleinsignalverhalten der Sourceschaltung 3.4.1.3 " Nichtlinearität , J 3.4.1.4 Temperaturabhängigkeit . 3.4.1.5 Sourceschaltung mit Stromgegenkopplung 3.4.1.6 Sourceschaltung mit Spannungsgegenkopplung 3.4.1.7 Arbeitspunkteinstellung 3.4.1.8 Frequenzgang und Grenzfrequenz 3.4.1.9 Zusammenfassung 3.4.2 Drainschaltung 3.4.2.1 Übertragungskennlinie der Drainschaltung 3.4.2.2 Kleinsignalverhalten der Drainschaltung 3.4.2.3 Nichtlinearität 3.4.2.4 Temperaturabhängigkeit 3.4.2.5 Arbeitspunkteinstellung 3.4.2.6 Frequenzgang und Grenzfrequenz 3.4.3 Gateschaltung 3.4.3.1 Übertragungskennlinie der Gateschaltung

204 205 205 205 206 211 211 213 214 214 216 217 218 219 221 221 223 225 227 229 230 230 232 234 235 238 238 239 240 241 242 243 243 248 252 254 260 262 262 263 265 265 266 266 271 271

Inhaltsverzeichnis

3.4.3.2 3.4.3.3 3.4.3.4 3.4.3.5 3.4.3.6

Kleinsignalverhalten der Gateschaltung Nichtlinearität • Temperaturabhängigkeit Arbeitspunkteinstellung Frequenzgang und Grenzfrequenz

4. Verstärker 4.1 Schaltungen 4.1.1 Grundlagen 4.1.1.1 Kennlinien der Transistoren 4.1.1.2 Skalierung 4.1.1.3 Normierung 4.1.1.4 Komplementäre Transistoren 4.1.1.5 Auswirkung fertigungsbedingter Toleranzen 4.1.1.6 Dioden 4.1.2 Stromquellen und Stromspiegel 4.1.2.1 Prinzip einer Stromquelle 4.1.2.2 Einfache Stromquellen für diskrete Schaltungen 4.1.2.3 Einfacher Stromspiegel 4.1.2.4 Stromspiegel mit Kaskode 4.1.2.5 Kaskode-Stromspiegel 4.1.2.6 Wilson-Stromspiegel 4.1.2.7 Dynamisches Verhalten 4.1.2.8 Weitere Stromspiegel und Stromquellen 4.1.2.9 Stromspiegel für diskrete Schaltungen 4.1.3 Kaskodeschaltung 4.1.3.1 Kleinsignalverhalten der Kaskodeschaltung 4.1.3.2 Frequenzgang und Grenzfrequenz der Kaskodeschaltung 4.1.4 Differenzverstärker 4.1.4.1 Grundschaltung 4.1.4.2 ' Gleichtakt- und Differenzverstärkung 4.1.4.3 Eigenschaften des Differenzvers'tärkers 4.1.4.4 Unsymmetrischer Betrieb 4.1.4.5 Übertragungskennlinien des nph-Differenzverstärkers 4.1.4.6 Übertragungskennlinien des n-Kanal-Differenzverstärkers 4.1.4.7 Differenzverstärker mit aktiver Last 4.1.4.8 Offsetspannung eines Differenzverstärkers 4.1.4.9 Kleinsignalverhalten des Differenzverstärkers 4.1.4.10 Nichtlinearität 4.1.4.11 Arbeitspunkteinstellung 4.1.4.12 Frequenzgänge und Grenzfrequenzen des Differenzverstärkers 4.1.4.13 Zusammenfassung 4.1.5 Impedanzwandler 4.1.5.1 Einstufige Impedanzwandler 4.1.5.2 Mehrstufige Impedanzwandler

273 275 275 275 276 279 281 281 281 282 282 283 284 285 287 287 290 292 304 308 314 316 317 324 325 326 330 339 339 340 342 342 343 349 353 355 357 372 375 383 398 399 399 400

Inhaltsverzeichnis

4.1.5.3 Komplementäre Impedanzwandler Schaltungen zur Arbeitspunkteinstellung 4.1.6.1 UBE-Referenzstromquelle 4.1.6.2 PTAT-Referenzstromquelle 4.1.6.3 Temperaturunabhängige Referenzstromquelle 4.1.6.4 Referenzstromquellen in MOS-Schaltungen 4.1.6.5 Arbeitspunkteinstellung in integrierten Verstärkerschaltungen 4.2 Eigenschaften und Kenngrößen 4.2.1 Kennlinien . .'. 4.2.2 Kleinsignal-Kenngrößen 4.2.2.1 Arbeitspunkt 4.2.2.2 Kleinsignalgrößen 4.2.2.3 Linearisierung 4.2.2.4 Kleinsignal-Kenngrößen 4.2.2.5 Kleinsignalersatzschaltbild eines Verstärkers 4.2.2.6 Verstärker mit Rückwirkung 4.2.2.7 Berechnung mit Hilfe des Kleinsignalersatzschaltbilds der Schaltung 4.2.2.8 Reihenschaltung von Verstärkern 4.2.3 Nichtlineare Kenngrößen 4.2.3.1 Reihenentwicklung der Kennlinie im Arbeitspunkt... 4.2.3.2 Gültigkeitsbereich der Reihenentwicklung 4.2.3.3 Ausgangssignal bei sinusförmiger Ansteuerung 4.2.3.4 Klirrfaktor 4.2.3.5 Kompressionspunkt 4.2.3.6 Intermodulation und Intercept-Punkte 4.2.3.7 Reihenschaltung von Verstärkern 4.2.3.8 Betriebsfälle bei der Ermittlung der nichtlinearen Kenngrößen 4.2.3.9 Messung der nichtlinearen Kenngrößen 4.2.4 Rauschen" f 4.2.4.1 Rauschquellen und Rauschdichtefi eines Verstärkers .. 4.2.4.2 Ersatzrauschquelle und spektrale Rauschzahl 4.2.4.3 Optimale Rauschzahl und optimaler Quellen widerstand 4.2.4.4 Rauschzahl einer Reihenschaltung von Verstärkern . . . 4.2.4.5 Signal-Rausch-Abstand und mittlere Rauschzahl 4.2.4.6 Optimierung der Rauschzahl 4.2.4.7 Rauschanpassung 4.2.4.8 Äquivalente Rauschquellen der Grundschaltungen . . . 5. Operationsverstärker 5.1 Übersicht 5.1.1 Operationsverstärker-Typen 5.1.2 Prinzip der Gegenkopplung . . . . : 5.1.2.1 Der nichtinvertierende Verstärker 5.1.2.2 Der invertierende Verstärker 5.2 Der normale Operationsverstärker (VV-OPV) 4.1.6

404 410 410 414 420 421 422 424 424 427 427 427 428 428 429 431 434 436 441 441 444 444 448 450 451 456 459 460 462 462 463 466 469 473 482 490 491 509 509 511 513 514 516 518

xviii

Inhaltsverzeichnis

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4

5.3

5.4

5.5

5.6

Das Prinzip Universalverstärker Betriebsspannungen Single-Supply-Verstärker 5.2.4.1 Phasenumkehr 5.2.5 Rail-to-Rail-Verstärker 5.2.6 Breitband-Operationsverstärker 5.2.7 Frequenzgang-Korrektur 5.2.7.1 Grundlagen 5.2.7.2 Universelle Frequenzgang-Korrektur 5.2.7.3 Pole-Splitting 5.2.7.4 Angepasste Frequenzgangkorrektur 5.2.7.5 Slew-Rate 5.2.7.6 Kapazitive Last 5.2.7.7 Interne Lastkorrektur 5.2.7.8 Zweipolige Frequenzgangkorrektur 5.2.8 Parameter von Operationsverstärkern 5.2.8.1 Differenz- und Gleichtaktverstärkung 5.2.8.2 Offsetspannung 5.2.8.3 Eingangsströme 5.2.8.4 Eingangswiderstände 5.2.8.5 Ausgangswiderstand 5.2.8.6 Beispiel für statische Fehler 5.2.8.7 Bandbreite 5.2.8.8 Rauschen Der Transkonduktanz-Verstärker (VC-OPV) 5.3.1 Innerer Aufbau ; 5.3.2 Typische Anwendung Der Transimpedanzverstärker (CV-OPV) 5.4.1 Innerer Aufbau 5.4.2 Frequehzverhalten / 5.4.3 Typische Anwendungen /. Der Strom-Verstärker (CC-OPV) 5.5.1 Innerer Aufbau : 5.5.2 Typische Anwendung 5.5.2.1 Anwendungen mit Stromgegenkopplung 5.5.2.2 Anwendungen mit Spannungsgegenkopplung Vergleich 5.6.1 Praktischer Einsatz 5.6.1.1 Abblocken der Betriebsspannungen 5.6.1.2 Schwingneigung 5.6.1.3 Dämpfung 5.6.1.4 Gegenkopplungswiderstände 5.6.1.5 Verlustleistung 5.6.1.6 Kühlung 5.6.1.7 Übersteuerung 5.6.1.8 Eingangsschutz

519 521 523 525 526 527 531 536 536 539 540 541 542 545 548 549 550 551 554 556 558 559 560 562 564 568 568 571 572 572 575 579 580 580 582 582 586 589 594 595 595 595 596 596 596 596 597

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5.6.2

Typen 5.6.2.1 Universaltypen 5.6.2.2 Präzisionstypen 5.6.2.3 Rauscharme Typen 5.6.2.4 Rail-to-Rail-Output Verstärker 5.6.2.5 Rail-to-Rail-IO Verstärker 5.6.2.6 Hohe Bandbreite 5.6.2.7 Differentieller Ausgang 5.6.2.8 Hohe Ausgangsspannung 5.6.2.9 Hoher Ausgangsstrom 5.6.2.10 CV-Operationsverstärker 5.6.2.11 VC-Operationsverstärker 5.6.2.12 CC-Operationsverstärker 5.6.2.13 Klassifizierung 6. Digitaltechnik Grundlagen 6.1 Die logischen Grundfunktionen 6.2 Aufstellung logischer Funktionen 6.2.1 Das Karnaugh-Diagramm 6.3 Abgeleitete Grundfunktionen 6.4 Schaltungstechnische Realisierung der Grundfunktionen 6.4.1 Statische und dynamische Daten 6.4.2 Transistor-Transistor-Logik (TTL) 6.4.2.1 Open-Collector-Ausgänge 6.4.2.2 Tristate-Ausgänge 6.4.3 Komplementäre MOS-Logik (CMOS) 6.4.3.1 CMOS-Inverter 6.4.3.2 Offene Eingänge 6.4.3.3 Statische Ladungen 6.4.3.4 CMOS-Gatter 6.4.3.5 Transmission-Gate 6.4.4 Emittergekoppelte Logik (ECL) 6.4.4.1 PECL-Gatter y 6.4.4.2 NECL-Gatter / 6.4.4.3 Wired-OR- Verknüpfung 6.4.4.4 Schaltzeiten :. 6.4.4.5 Verlustleistung 6.4.5 Current Mode Logik (CML) 6.4.5.1 CML-Gatter 6.4.5.2 CML-Flip-Flop 6.4.6 Low Voltage Differential Signaling (LVDS) 6.4.7 Vergleich der Logikfamilien 6.5 Verbindungsleitungen 6.6 Hazards 6.7 Kopplung von Logikfamilien 6.8 Betriebsspannungen 7. Schaltnetze (Kombinatorische Logik) 7.1 Multiplexer

'.

597 598 598 598 599 599 599 600 600 600 600 600 601 601 613 613 615 617 620 621 621 623 624 625 626 626 627 628 629 629 631 631 632 633 633 634 634 635 637 637 639 640 642 643 644 647 648

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7.1.1 1-aus-n-Decoder 7.1.2 Demultiplexer 7.1.3 Multiplexer 7.2 Schiebelogik (Barrel Shifter) 7.3 Prioritätsdecoder 7.4 Kombinatorischer Zähler 7.5 Paritätsgenerator 7.6 Komparatoren 7.7 Zahlendarstellung . (. 7.7.1 Positive ganze Zahlen im Dualcode 7.7.1.1 Oktalcode 7.7.1.2 Hexadezimalcode 7.7.2 BCD-Code 7.7.3 Ganze Dualzahlen mit beliebigem Vorzeichen 7.7.3.1 Darstellung nach Betrag und Vorzeichen 7.7.3.2 Darstellung im Zweierkomplement (Two's Complement) 7.7.3.3 Vorzeichenergänzung (Sign Extension) 7.7.3.4 Offset-Dual-Darstellung (Offset Binary) 7.7.4 Festkomma-Dualzahlen 7.7.5 Gleitkomma-Dualzahlen 7.8 Addierer 7.8.1 Halbaddierer 7.8.2 Volladdierer 7.8.3 Parallele Übertragslogik 7.8.4 Subtraktion 7.8.5 Zweierkomplement-Überlauf 7.8.6 Addition und Subtraktion von Gleitkomma-Zahlen 7.9 Multiplizierer 7.9.1 Multiplikation von Festkomma-Zahlen 7.9.2 Multiplikation von Gleitkomma-Zahlen 8. Schaltwerke (Sequentielle Logik) j. 8.1 Flip-Flops 8.1.1 Transparente Flip-Flops ; 8.1.1.1 Flip-Flop Grundschaltung 8.1.1.2 Taktzustandgesteuerte RS-Flip-Flops 8.1.1.3 Taktzustandgesteuerte D-Flip-Flops 8.1.2 Flip-Flops mit Zwischenspeicherung 8.1.2.1 JK Master-Slave Flip-Flops 8.1.2.2 D Master-Slave Flip-Flops 8.1.3 Zeitverhalten von Flip-Flops 8.1.3.1 Vergleich JK- und D-Flip-Flops 8.1.3.2 Metastabilität 8.1.4 Flip-Flops für Zähler 8.2 Dualzähler 8.2.1 Asynchroner Dualzähler 8.2.2 Synchrone Dualzähler

648 649 650 652 653 654 654 655 657 657 657 657 658 658 658 659 660 660 661 661 664 664 665 665 667 668 669 669 669 671 673 673 674 674. 675 675 676 677 678 679 679 680 682 684 685 686

Inhaltsverzeichnis

8.2.3

Vorwärts-Rückwärts-Zähler 8.2.3.1 Zähler mit umschaltbarer Zählrichtung 8.2.3.2 Zähler mit Vorwärts- und Rückwärts-Eingängen 8.3 Synchrone BCD-Zähler 8.4 Vorwahlzähler 8.5 Schieberegister 8.5.1 Grundschaltung 8.5.2 Schieberegister mit Paralleleingabe 8.5.3 Erzeugung von Pseudozufallsfolgen 8.6 Aufbereitung asynchroner Signale 8.6.1 Entprellung mechanischer Kontakte 8.6.2 Flankengetriggerr.es RS-Flip-Flop 8.6.3 Synchronisation von asynchronen Daten 8.6.4 Synchroner Zeitschalter 8.6.5 Synchroner Änderungsdetektor 8.6.6 Synchroner Taktschalter 8.7 Systematischer Entwurf von Schaltwerken .8.7.1 Zustandsdiagramm 8.7.2 Entwurfsbeispiel für einen Dualzähler 8.7.3 Entwurfsbeispiel für einen umschaltbaren Zähler 9. Halbleiterspeicher 9.1 Programmierbare Logik 9.1.1 Programmierbare Logische Bauelemente (PLDs) 9.1.1.1 Typenübersicht 9.1.2 Anwender-programmierbare Gate-Arrays 9.1.2.1 Typenübersicht 9.1.3 Computer-gestiitzterPLD-Entwurf 9.2 Datenspeicher 9.2.1 Statische RAMs 9.2.1.1 Zeitbedingungen 9.2.1.2 Beispiele für SRAMs 9.2.2 Dynamische RAMs t J 9.2.3 Flash Speicher . 9.3 Fehler-Erkennung und -Korrektur r 9.3.1 Paritätsbit . 9.3.2 Hamming-Code 9.4 First-In-First-Out Memories (FIFO) 9.4.1 Prinzip 9.4.2 Standart FIFOs 9.4.3 FIFO-Realisierung mit Standard-RAMs

688 688 689 689 690 692 692 692 694 696 696 697 698 698 700 700 701 701 702 704 707 707 707 710 712 713 714 716 718 719 720 721 726 728 729 730 732 732 733 734

Teil II. Anwendungen 10. Analogrechenschaltungen 10.1 Addierer 10.2 Subtrahierer 10.2.1 Rückführung auf die Addition 10.2.2 Subtrahierer mit einem Operationsverstärker

739 739 740 740 741

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10.3 Bipolares Koeffizientenglied 10.4 Integratoren 10.4.1 Invertierender Integrator 10.4.2 Anfangsbedingung 10.4.3 Summationsintegrator 10.4.4 Nicht invertierender Integrator 10.4.5 Integrator für hohe Frequenzen 10.5 Differentiatoren 10.5.1 Prinzipschaltung 10.5.2 Praktische Realisierung 10.5.3 Differentiator mit hohem Eingangswiderstand 10.6 Lösung von Differentialgleichungen 10.7 Funktionsnetzwerke 10.7.1 Logarithmus 10.7.2 Exponentialfunktion 10.7.3 Bildung von Potenzfunktionen über Logarithmen 10.8 Analog-Multiplizierer 10.8.1 Multiplizierer mit logarithmierenden Funktionsgeneratoren . . . 10.8.2 Steilheitsmultiplizierer 11. Gesteuerte Quellen und Impedanzkonverter 11.1 Spannungsgesteuerte Spannungsquellen 11.2 Stromgesteuerte Spannungsquellen 11.3 Spannungsgesteuerte Stromquellen 11.3.1 Stromquellen für potentialfreie Verbraucher 11.3.2 Stromquellen für geerdete Verbraucher 11.3.3 Transistor-Präzisionsstromquellen 11.3.3.1 Transistor-Stromquellen für bipolare Ausgangsströme 11.3.4 Schwimmende Stromquellen 11.4 Stromgesteuerte Stromquellen 11.5 Der NIC (Negative Impedance Converter) 11.6 Der Gyrator . .• 11.6.1 Transformation von Zweipolen ._/ 11.6.2 Transformation von Vierpolen 11.7 Der Zirkulator .; 12. Aktive Filter 12.1 Theoretische Grundlagen von Tiefpassfiltern 12.1.1 Butterworth-Tiefpasse 12.1.2 Tscheby scheff- Tiefpässe 12.1.3 Bessel-Tiefpässe 12.1.4 Zusammenfassung der Theorie 12.2 Tiefpass-Hochpass-Transformation 12.3 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 1. Ordnung 12.4 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern 2. Ordnung 12.4.1 LRC-Filter 12.4.2 Filter mit Mehrfachgegenkopplung 12.4.3 Filter mit Einfachmitkopplung 12.5 Realisierung von Tief- und Hochpassfiltern höherer Ordnung

743 744 744 747 748 748 749 751 751 751 752 753 755 755 758 760 760 760 761 767 767 769 770 770 772 773 775 778 779 779 782 783 784 785 787 787 792 794 797 800 808 808 810 810 811 812 814

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12.6 Tiefpass-Bandpass-Transformation 12.6.1 Bandpassfilter 2. Ordnung 12.6.2 Bandpassfilter 4. Ordnung • 12.7 Realisierung von Bandpassfiltern 2. Ordnung 12.7.1 LRC-Filter 12.7.2 Bandpass mit Mehrfachgegenkopplung 12.7.3 Bandpass mit Einfachmitkopplung • 12.8 Tiefpass-Bandsperren-Transformation 12.9 Realisierung von Sperrfiltern 2. Ordnung 12.9.1 LRC-Sperrfilter 12.9.2 Aktive Doppel-T-Bandsperre 12.9.3 Aktive Wien-Robinson-Bandsperre 12.10 Allpässe 12.10.1 Grundlagen 12.10.2 Realisierung von Allpässen 1. Ordnung 12.10.3 Realisierung von Allpässen 2. Ordnung 12.11 Integratorfilter 12.11.1 Grundschaltung 12.11.2 Integratorfilter für hohe Frequenzen 12.11.3 Integratorfilter mit zusätzlichem Hochpass-Ausgang 12.11.4 Integratorfilter mit zusätzlichem Bandsperren-Ausgang 12.11.5 Elektronische Steuerung der Filterparameter 12.11.6 Filter mit einstellbaren Koeffizienten 12.12 Switched-Capacitor-Filter 12.12.1 Grundprinzip 12.12.2 Der SC-Integrator 12.12.3 SC-Filter 1. Ordnung 12.12.4 SC-Filter 2. Ordnung 12.12.5 Integrierte Realisierung von SC-Filtern 12.12.6 Allgemeine Gesichtspunkte beim Einsatz von SC-Filtern 12.12.7 Typenübersicht 13. Signalgeneratoren > 13.1 Rechteckformung 13.1.1 Komparator 13.1.1.1 Fensterkomparator : 13.1.2 Schmitt-Trigger 13.2 Impulserzeugung 13.2.1 Erzeugung kurzer Impulse 13.2.2 Erzeugung längerer Impulse 13.3 Rechteckgeneratoren 13.3.1 Funktionsgeneratoren 13.3.2 Einfache Rechteckgeneratoren 13.3.2.1 Timer als Schmitt-Trigger 13.3.2.2 Operationsverstärker als Schmitt-Trigger 13.3.2.3 Gatter als Schmitt-Trigger 13.3.3 Rechteckgeneratoren mit hoher Frequenzgenauigkeit 13.4 Sinusschwingungen

xxiii

816 817 818 820 821 822 823 824 825 825 826 826 827 827 830 830 832 832 833 833 834 835 838 840 840 840 841 842 843 844 844 847 847 847 849 849 851 851 852 854 854 857 857 858 859 859 860

xxiv

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13.4.1 Arbiträrgenerator 13.4.2 Direkte Digitale Synthese 14. Leistungsverstärker 14.1 Emitterfolger als LeistungsVerstärker 14.2 Komplementäre Emitterfolger 14.2.1 Komplementäre Emitterfolger in B-Betrieb 14.2.2 Komplementäre Emitterfolger in AB-Betrieb 14.2.3 Erzeugung der Vorspannung 14.3 Komplementäre Darlington-Schaltungen 14.4 Komplementäre Drainschaltungen 14.5 Komplementäre Sourceschaltungen 14.6 Strombegrenzung 14.6.0.1 Spannungsabhängige Strombegrenzung 14.7 Vier-Quadranten-Betrieb 14.8 Dimensionierung einer Leistungsendstufe 14.9 Ansteuerschaltungen mit Spannungsverstärkung 14.9.1 Breitband-Ansteuerschaltung 14.10 Erhöhung des Ausgangsstromes integrierter Operationsverstärker 14.11 Eine Betriebsspannung 14.11.1 Wechselspannungskopplung 14.11.2 Brückenschaltung 14.12 Getaktete Leistungsverstärker 15. Stromversorgung 15.1 Eigenschaften von Netztransformatoren 15.2 Netzgleichrichter 15.2.1 Einweggleichrichter 15.2.2 Brückengleichrichter 15.2.3 Mittelpunkt-Schaltung 15.2.3.1 Grundschaltung 15.2.3.2 Doppelte Mittelpunktschaltung 15.3 Lineare Spannungsregler f y 15.3.1 Prinzipien . 15.3.2 Praktische Ausführung 15.3.3 Einstellung der Ausgangsspannung... • 15.3.4 Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust 15.3.5 Spannungsregler für negative Spannungen 15.3.6 Labornetzgeräte 15.3.7 Integrierte Spannungsregler 15.4 Erzeugung der Referenzspannung 15.4.1 Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden 15.4.2 Bandabstands-Referenz 15.4.3 Typenübersicht 15.5 Schaltregler ohne Potentialtrennung 15.5.1 Der Abwärts-Wandler 15.5.1.1 Prinzip 15.5.1.2 Ausführungsbeispiel 15.5.1.3 Leistungsschalter

860 861 863 863 865 865 867 869 869 870 872 873 874 875 876 879 879 881 882 882 883 885 889 891 892 892 893 897 897 898 898 899 899 901 902 903 904 905 906 906 908 910 . 911 913 913 915 916

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15.5.1.4 Pulsbreitenmodulation 15.5.1.5 Pulsfrequenzmodulation 15.5.2 Aufwärts-Wandler 15.5.3 Invertierender Wandler 15.5.4 Aufwärts- Abwärtswandler 15.5.5 Sepie Konverter 15.5.6 Spannungswandler mit Ladungspumpe 15.5.7 Typenübersicht 15.6 Schaltregler mit Potentialtrennung 15.6.1 Eintakt-Wandler 15.6.1.1 Eintakt-Sperrwandler 15.6.1.2 Eintakt-Durchflusswandler 15.6.2 Gegentakt-Wandler 15.6.2.1 Gegentakt-Wandler mit Parallelspeisung 15.6.2.2 Gegentakt-Wandler in Halbbrückenschaltung 15.6.2.3 Gegentakt-Wandler in Brückenschaltung 15.6.3 Resonanzumrichter 15.6.4 Aktive Gleichrichtung 15.6.5 Leistungsschalter 15.6.5.1 Leistungstransistoren 15.6.5.2 Gatetreiber ohne Potentialtrennung 15.6.5.3 Gatetreiber mit Potentialtrennung 15.6.6 Integrierte Gatetreiber 15.6.7 Hochfrequenztransformatoren 15.6.8 Verlustanalyse 15.7 Leistungsfaktorkorrektur 16. DA- und AD-Umsetzer 16.1 Systemtheoretische Grundlagen 16.1.1 Quantisierung der Zeit 16.1.1.1 Abtasttheorem 16.1.1.2 Rückgewinnung des Analogsignals 16.1.1.3 Praktische Gesichtspunkte f J 16.1.2 Quantisierung der Amplitude . 16.1.3 Spannungseinheit : 16.2 Digital-Analog Umsetzung 16.2.1 Grundprinzipien der DA-Umsetzung 16.2.2 Wägeverfahren mit geschalteten Spannungen 16.2.2.1 Einsatz von Wechselschaltern 16.2.2.2 Leiternetzwerk 16.2.2.3 Inversbetrieb eines Leiternetzwerks 16.2.3 Wägeverfahren mit geschalteten Strömen 16.2.4 DA-Umsetzer für spezielle Anwendungen 16.2.4.1 Verarbeitung vorzeichenbehafteter Zahlen 16.2.4.2 Multiplizierende DA-Umsetzer 16.2.4.3 Dividierende DA-Umsetzer 16.2.5 Genauigkeit von DA-Umsetzern 16.2.5.1 Statische Kenngrößen

918 922 923 924 925 926 928 930 930 932 932 934 936 936 937 939 942 943 945 945 949 952 955 956 958 959 963 964 964 964 966 966 969 970 970 970 971 972 973 974 975 976 976 978 978 979 979

xxvi

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16.2.5.2 Dynamische Kenngrößen 16.3 Analog-Digital Umsetzer 16.3.1 Parallelverfahren 16.3.2 Pipelineumsetzer 16.3.3 Wägeverfahren 16.3.4 Zählverfahren 16.3.4.1 Modifiziertes Wägeverfahren 16.3.4.2 Dual-Slope-Verfahren 16.3.5 Überabtastung 16.3.6 Delta-Sigma- Verfahren 16.3.7 Genauigkeit von AD-Umsetzern 16.3.7.1 Statische Fehler 16.3.7.2 Dynamische Fehler 16.3.7.3 Vergleich der Verfahren 16.4 Abtast-Halte-Glieder 16.4.1 Grundlagen 16.4.2 Transmission-Gate als Schalter 16.4.3 Dioden-Brücke als Schalter 17. Messschaltungen 17.1 Spannungsmessung 17.1.1 Impedanzwandler 17.1.1.1 Vergrößerung der Spannungsaussteuerbarkeit 17.1.2 Messung von Potentialdifferenzen 17.1.2.1 Subtrahierer mit beschalteten Operationsverstärkern . 17.1.2.2 Subtrahierer für hohe Spannungen 17.1.2.3 Subtrahierer mit gegengekoppelten Differenzverstärkern 17.1.2.4 Subtrahierer in SC-Technik 17.1.3 Trennverstärker (Isolation Amplifier) 17.2 Strommessung 17.2.1 Potentialfreies Amperemeter mit niedrigem Spannungsabfall . . 17.2.2 Strommessung auf hohem Potential .../ 17.3 Messgleichrichter (AC/DC-Converter) 17.3.1 Messung des Betragsmittelwertes . . . .; 17.3.1.1 Vollweggleichrichter mit geerdetem Ausgang 17.3.1.2 Gleichrichtung durch Umschalten des Vorzeichens .. . 17.3.1.3 Breitband-Vollweggleichrichter 17.3.2 Messung des Effektivwertes..' 17.3.2.1 Echte Effektivwertmessung (True RMS) 17.3.2.2 Thermische Umformung 17.3.3 Messung des Scheitelwertes 17.3.3.1 Momentane Scheitelwertmessung 17.3.4 Synchrongleichrichter 18. Sensorik 18.1 Temperaturmessung 18.1.1 Metalle als Kaltleiter 18.1.2 Kaltleiter auf Silizium-Basis, PTC

979 982 982 985 988 991 991 992 994 995 1000 1000 1001 1003 1003 1003 1006 1006 1009 1009 1009 1009 1010 1010 1012 1013 1015 1016 1019 1019 1020 1020 1020 1021 1023 1023 1024 1025 1027 1029 1030 1031 1037 1037 1040 1040

Inhaltsverzeichnis

18.1.3 Heißleiter, NTC 18.1.4 Betrieb von Widerstandstemperaturfühlern 18.1.5 Transistor als Temperatursensor 18.1.6 Das Thermoelement 18.1.7 Typenübersicht 18.2 Druckmessung 18.2.1 Aufbau von Drucksensoren 18.2.2 Betrieb temperaturkompensierter Drucksensoren 18.2.3 Temperaturkompensation von Drucksensoren 18.2.4 Handelsübliche Drucksensoren 18.3 Feuchtemessung 18.3.1 Feuchtesensoren 18.3.2 Betriebsschaltungen für kapazitive Feuchtesensoren 18.4 Übertragung von Sensorsignalen 18.4.1 Galvanisch gekoppelte Signalübertragung 18.4.2 Galvanisch getrennte Signalübertragung 18.5 Kalibrierung von Sensorsignalen 18.5.1 Kalibrierung des Analogsignals 18.5.2 Computer-gestützte Kalibrierung 19. Elektronische Regler 19.1 Grundlagen 19.2 Regler-Typen 19.2.1 P-Regler 19.2.2 PI-Regler 19.2.3 PID-Regler 19.2.4 Einstellbarer PID-Regler 19.3 Regelung nichtlinearer Strecken 19.3.1 Statische Nichtlinearität 19.3.2 Dynamische Nichtlinearität 19.4 Nachlaufsynchronisation (PLL) 19.4.1 Abtast-Halte-Glied als Phasendetektor 19.4.1.1 Dynamisches Verhalten t 19.4.1.2 Dimensionierung des Reglers 19.4.1.3 Einrastvorgang 19.4.2 Synchrongleichrichter als Phasendetektor • 19.4.3 Frequenzempfindlicher Phasendetektor 19.4.4 Phasendetektor mit beliebig erweiterbarem Messbereich 19.4.5 PLL als Frequenzvervielfacher 20. Optoelektronische Bauelemente 20.1 Photometrische Grundbegriffe 20.2 Photowiderstand 20.3 Photodiode 20.4 Phototransistor 20.5 Leuchtdioden 20.6 Optokoppler 20.7 Optische Anzeige 20.7.1 Binär-Anzeise

xxvii

1041 1041 1046 1049 1055 1055 1056 1057 1061 1063 1064 1065 1066 1069 1069 1072 1073 1073 1077 1081 1081 1082 1082 1084 1086 1088 1090 1090 1091 1092 1094 1095 1095 1096 1096 1098 1100 1101 1105 1105 1107 1108 1.110 1111 1112 1112 1113

xxviii Inhaltsverzeichnis 20.7.2 20.7.3 20.7.4 20.7.5

Analog-Anzeige Numerische Anzeige Multiplex Anzeige Alpha-Numerische Anzeige 20.7.5.1 16-Segment-Anzeigen 20.7.5.2 35-Punktmatrix-Anzeigen

1114 1116 1117 1119 1119 1120

Teil III. Schaltungen der Nachrichtentechnik 21. Grundlagen r. 21.1 Nachrichtentechnische Systeme 21.2 Übertragungskanäle 21.2.1 Leitung 21.2.1.1 Feldwellenwiderstand und Ausbreitungsgeschwindigkeit 21.2.1.2 Leitungswellenwiderstand 21.2.1.3 Leitungsgleichung 21.2.1.4 Dämpfung 21.2.1.5 Kenngrößen einer Leitung 21.2.1.6 Vierpoldarstellung einer Leitung 21.2.1.7 Leitung mit Abschluss 21.2.1.8 Streifenleitung 21.2.2 Drahtlose Verbindung 21.2.2.1 Antennen 21.2.2.2 Leistungsübertragung über eine drahtlose Verbindung 21.2.2.3 Frequenzbereiche 21.2.3 Faseroptische Verbindung 21.2.3.1 Lichtwellenleiter 21.2.3.2 Wellenlängenbereiche 21.2.4 Vergleich der Übertragungskanäle 21.3 Reflexionsfaktor und S-Parameter 21.3.1 Wellengrößen , 21.3.1.1 Darstellung mit Hilfe von Spannung und Strom 21.3.2 Reflexionsfaktor 21.3.2.1 Reflexionsfaktor-Ebene (r-Ebene) 21.3.2.2 Einfluss einer Leitung auf den Reflexionsfaktor 21.3.2.3 Stehwellenverhältnis 21.3.3 Wellenquelle 21.3.3.1 Unabhängige Welle einer Wellenquelle 21.3.3.2 Verfügbare Leistung 21.3.4 S-Parameter 21.3.4.1 S-Matrix 21.3.4.2 Messung der S-Parameter 21.3.4.3 Zusammenhang mit den Y-Parametern 21.3.4.4 S-Parameter eines Transistors 21.3.4.5 Ortskurven 21.4 Modulationsverfahren 21.4.1 Amplitudenmodulation

1127 1127 1130 1130 1131 1131 1132 1135 1136 1137 1138 1140 1141 1141 1144 1145 1146 1147 1150 1151 1152 1152 1153 1154 1154 1155 1157 1160 1160 1160 1161 1161 1164 1164 1164 1166 1168 1172

Inhaltsverzeichnis

xxix

21.4.1.1 Darstellung im Zeitbereich 1173 21.4.1.2 Darstellung im Frequenzbereich 1175 21.4.1.3 Modulation 1176 21.4.1.4 Demodulation 1177 21.4.2 Frequenzmodulation 1180 21.4.2.1 Darstellung im Zeitbereich 1181 21.4.2.2 Darstellung im Frequenzbereich 11 82 21.4.2.3 Modulation 1185 21.4.2.4 Demodulation 11 85 21.4.3 Digitale Modulationsverfahren 1188 21.4.3.1 Einfache Tastverfahren 1188 21.4.3.2 I/Q-Darstellung digitaler Modulationsverfahren 1191 21.4.3.3 Impulsformung 1198 21.4.3.4 Ein einfacher QPSK-Modulator 1203 21.5 Mehrfachnutzung und Gruppierung von Kanälen 1206 21.5.1 Multiplex-Verfahren 1206 21.5.1.1 Frequenzmultiplex 1206 21.5.1.2 Zeitmultiplex 1207 21.5.1.3 Codemultiplex 1208 21.5.2 Duplex-Verfahren 1214 21.5.2.1 Frequenzduplex 1214 21.5.2.2 Zeitduplex 1214 22. Sender und Empfänger 1217 22.1 Sender 1217 22.1.1 Sender mit analoger Modulation 1217 22.1.1.1 Sender mit direkter Modulation 1217 22.1.1.2 Sender mit einer Zwischenfrequenz 1217 22.1.1.3 Sender mit zwei Zwischenfrequenzen 1220 22.1.1.4 Sender mit variabler Sendefrequenz 1222 22.1.2 Sender mit digitaler Modulation 1222 22.1.3 Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen 1223 22.2 Empfänger ' > 1225 22.2.1 Geradeausempfänger 1225 22.2.2 Überlagerungsempfänger 1226 22.2.2.1 HF-Filter ! 1227 22.2.2.2 Vorverstärker 1228 22.2.2.3 Vorselektion 1229 22.2.2.4 ZF-Filter 1229 22.2.2.5 Überlagerungsempfänger mit zwei Zwischenfrequenzen 1230 22.2.2.6 Erzeugung der Lokaloszillatorfrequenzen 1231 22.2.3 Verstärkungsregelung 1232 22.2.3.1 Regelverhalten 1233 22.2.3.2 Regelbarer Verstärker (VGA) 1235 22.2.3.3 Anordnung der Verstärkungsregelung im Empfänger . 1237 22.2.3.4 Pegeldetektion 1237 22.2.3.5 Digitale Verstärkungsregelung 1238

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22.2.4

Dynamikbereich eines Empfängers 22.2.4.1 Rauschzahl des Empfängers 22.2.4.2 Minimaler Empfangspegel 22.2.4.3 Maximaler Empfangspegel 22.2.4.4 Dynamikbereich 22.2.5 Empfänger für digitale Modulationsverfahren 22.2.5.1 Empfänger mit digitalen Kanalfiltern 22.2.5.2 Empfänger mit ZF-Abtastung und digitalen Kanalfiltern 22.2.5.3 Vergleich der Empfänger für digitale Modulationsverfahren 22.2.5.4 Direktumsetzender Empfänger 23. Passive Komponenten 23.1 Hochfrequenz-Ersatzschaltbilder 23.1.1 Widerstand 23.1.2 Spule 23.1.3 Kondensator 23.2 Filter 23.2.1 LC-Filter 23.2.1.1 Zweikreisiges Bandfilter 23.2.1.2 Filter mit Leitungen 23.2.2 Dielektrische Filter 23.2.3 SAW-Filter 23.3 Schaltungen zur Impedanztransformation 23.3.1 Anpassung 23.3.1.1 Anpassnetzwerke mit zwei Elementen 23.3.1.2 Collins-Füter 23.3.1.3 Anpassung mit Streifenleitungen 23.3.2 Ankopplung 23.3.2.1 Ankopplung mit kapazitivem Spannungsteiler 23.3.2.2 Ankopplung mit induktivem Spannungsteiler 23.3.2.3 Ankopplung mit festgekoppeltem induktivem Spannungsteiler 23.4 Leistungsteiler und Hybride : 23.4.1 Leistungsteiler 23.4.1.1 Verlustbehaftete Leistungsteiler mit Widerständen . . . 23.4.1.2 Wilkinson-Teiler 23.4.2 Hybride 23.4.2.1 S-Parameter eines Hybrids 23.4.2.2 Hybride mit Spulen und Kondensatoren 23.4.2.3 Hybride mit Leitungen 24. Hochfrequenz-Verstärker 24.1 Integrierte Hochfrequenz-Verstärker 24.1.1 Anpassung 24.1.1.1 Eingangsseitige Anpassung 24.1.1.2 Ausgangsseitige Anpassung 24.1.2 Rauschzahl

1239 1241 1242 1243 1244 1249 1251 1256 1260 1261 1267 1267 1268 1269 1272 1273 1274 1274 1279 1280 1282 1284 1285 1285 1289 1290 1295 1296 1297 1297 1297 1299 1299 1299 1300 1300 1302 1302 1305 1305 1307 1307 1308 1309

Inhaltsverzeichnis

24.1.3

Entwurf rau scharmer integrierter HF-Verstärker (LNA) 1311 24.1.3.1 Ohmsche Gegenkopplung bei niedrigen Frequenzen .. 1312 24.1.3.2 Gegenkopplung bei hohen Frequenzen 1318 24.2 HF-Verstärker mit Einzeltransistoren 1328 24.2.1 Verallgemeinerter Einzeltransistor 1329 24.2.2 Arbeitspunkteinstellung 1330 24.2.2.1 Gleichstromgegenkopplung 1330 24.2.2.2 Gleichspannungsgegenkopplung 1332 24.2.2.3 Arbeitspunktregelung 1332 24.2.3 Anpassung einstufiger Verstärker 1333 24.2.3.1 Bedingungen für die Anpassung 1333 24.2.3.2 Reflexionsfaktoren des Transistors 1334 24.2.3.3 Berechnung der Anpassung 1335 24.2.3.4 Stabilität bei der Betriebsfrequenz 1335 24.2.3.5 Berechnung der Anpassnetzwerke 1336 24.2.3.6 Stabilität im ganzen Frequenzbereich 1336 24.2.3.7 Leistungsverstärkung 1336 24.2.4 Anpassung mehrstufiger Verstärker 1341 24.2.4.1 Anpassung mit Serien-Induktivität 1342 24.2.5 Neutralisation 1342 24.2.5.1 Schaltungen zur Neutralisation 1342 24.2.5.2 Leistungsverstärkung bei Neutralisation 1342 24.2.6 Besondere Schaltungen zur Verbesserung der Anpassung 1345 24.2.6.1 Anpassung mit Zirkulatoren 1345 24.2.6.2 Anpassung mit Hybriden 1347 24.2.7 Rauschen 1348 24.2.7.1 Rauschparameter und Rauschzahl 1348 24.2.7.2 Entwurf eines rauscharmen Verstärkers 1348 24.3 Breitband-Verstärker 1351 24.3.1 Prinzip eines Breitband-Verstärkers 1351 24.3.2 Ausführung eines Breitband-Verstärkers 1353 24.4 Kenngrößen von Hochfrequenz-Verstärkern ., 1357 24.4.1 Leistungsverstärkung •( 1357 24.4.1.1 Klemmenleistungsgewinn 1358 24.4.1.2 Einfügungsgewinn • 1359 24.4.1.3 Übertragungsgewinn 1359 24.4.1.4 Verfügbarer Leistungsgewinn 1360 24.4.1.5 Vergleich der Gewinn-Definitionen 1361 24.4.1.6 Gewinn bei beidseitiger Anpassung 1361 24.4.1.7 Maximaler Leistungsgewinn bei Transistoren 1362 24.4.2 Nichtlineare Kenngrößen 1364 24.4.2.1 Betriebsbedingungen 1365 24.4.2.2 Kennlinien eines Hochfrequenz-Verstärkers 1365 24.4.2.3 Kleinsignalverstärkung 1367 24.4.2.4 Kompressionspunkt 1368 24.4.2.5 Intermodulation 1369 25. Mischer 1371

xxxii

25.1

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip eines idealen Mischers 25.1.1 Aufwärtsmischer 25.1.2 Abwärtsmischer 25.1.3 Mischer mit Spiegelfrequenz-Unterdrückung 25.2 Funktionsprinzipen bei praktischen Mischern 25.2.1 Additive Mischung 25.2.1.1 Gleichungsmäßige Beschreibung 25.2.1.2 Nichtlinearität '. 25.2.1.3 Praktische Ausführung 25.2.1.4 Einsatz additiver Mischer 25.2.2 Multiplikative Mischung 25.2.2.1 Gleichungsmäßige Beschreibung 25.2.2.2 Schaltverhalten der Schalter 25.2.2.3 Nichtlinearität 25.2.2.4 Praktische Ausführung 25.3 Mischer mit Dioden 25.3.1 Eintaktmischer 25.3.1.1 LO-Kreis ... 25.3.1.2 Kleinsignalersatzschaltbild 25.3.1.3 Kleinsignalverhalten 25.3.1.4 Mischverstärkung 25.3.1.5 Mischgewinn 25.3.1.6 Vergleich mit idealem Schalter 25.3.1.7 Nachteile des Eintaktmischers 25.3.2 Gegentaktmischer 25.3.2.1 LO-Kreis 25.3.2.2 Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten . 25.3.2.3 Vor- und Nachteile des Gegentaktmischers 25.3.3 Ringmischer 25.3.3.1 LO-Kreis 25.3.3.2 Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten . 25.3.4 Breitbandiger Betrieb / 25.3.4.1 Kleinsignalverhalten 25.3.4.2 Anpassung : 25.3.4.3 Mischgewinn 25.3.4.4 Allgemeiner Fall 25.3.4.5 Vergleich von Schmalband- und Breitbandbetrieb . . . . 25.3.5 Kenngrößen ; 25.3.6 Rauschen 25.3.6.1 Verfahren zur Berechnung der Rauschzahl 25.3.6.2 Näherungen für Schmalband-und Breitbandbetrieb .. . 25.3.7 Praktische Diodenmischer 25.4 Passive Mischer mit Feldeffekttransistoren 25.4.1 Eintaktmischer 25.4.1.1 LO-Kreis 25.4.1.2 Kleinsignalersatzschaltbild und Kleinsignalverhalten . 25.4.1.3 Nachteile des Eintaktmischers

1371 1372 1372 1375 1377 1377 1377 1378 1381 1386 1386 1386 1389 1390 1390 1390 1391 1393 1395 1396 1398 1399 1401 1402 1402 1404 1404 1405 1406 1407 1409 1411 1412 1414 1415 1417 1423 1423 1424 1425 1427 1429 1431 1432 1432 1438 1441

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25.4.2 25.4.3 25.4.4 25.4.5

Gegen taktmi scher Ringmischer Integrierte Fet-Mischer Eigenschaften von passiven Fet-Mischern 25.4.5.1 Frequenzbereich 25.4.5.2 LO-Leistung 25.4.5.3 Nichtlinearität 25.4.5.4 Rauschen 25.5 Aktive Mischer mit Transistoren 25.5.1 Gegentaktmischer 25.5.1.1 Berechnung des Übertragungsverhaltens 25.5.1.2 Rechteckförmige LO-Spannung 25.5.1.3 Sinusförmige LO-Spannung 25.5.1.4 Kleinsignalverhalten 25.5.1.5 Mischverstärkung 25.5.1.6 Bandbreite 25.5.1.7 Anpassung 25.5.1.8 Mischgewinn 25.5.1.9 Praktische Ausführung 25.5.l.lOGegentaktmischer mit Übertragern 25.5.1.1 INachteil des Gegentaktmischers mit Transistoren . . . . 25.5.2 Doppel-Gegentaktmischer (Gilbert-Mischer) 25.5.2.1 Berechnung des Übertragungsverhaltens 25.5.2.2 Kleinsignalverhalten 25.5.2.3 Mischverstärkung 25.5.2.4 Bandbreite 25.5.2.5 Doppel-Gegentaktmischer in integrierten Schaltungen 25.5.2.6 Anpassung 25.5.2.7 Mischgewinn 25.5.2.8 I/Q-Mischer mit Doppel-Gegentaktmischern 25.5.3 Kenngrößen 25.5.4 Rauschen .' , 25.6 Vergleich aktiver und passiver Mischer { 25.6.1 Rauschzahl, Intercept-Punkt und Dynamikbereich 25.6.2 Bandbreite • 25.6.3 LO-Leistung 25.7 Mischer mit Spiegelfrequenz-Unterdrückung 25.7.1 Phasenschieber 25.7.1.1 RC-Phasenschieber 25.7.1.2 RC-Polyphasen-Filter 25.7.1.3 Hybride als Phasenschieber 25.7.2 Spiegelfrequenz-Unterdrückung 26. Oszillatoren 26.1 LC-Oszillatoren 26.1.1 LC-Resonanzkreise 26.1.2 Verstärker mit selektiver Mitkopplung 26.1.2.1 Mitkopplung mit Parallelschwingkreis

xxxiii

1442 1445 1446 1449 1449 1449 1449 1449 1450 1450 1451 1452 1453 1454 1455 1455 1456 1457 1459 1461 1463 1463 1465 1467 1468 1469 1469 1470 1472 1474 1475 1475 1478 1478 1479 1480 1480 1481 1481 1481 1483 1484 1487 1488 1488 1491 1492

xxxiv

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26.1.2.2 Mitkopplung mit Serienschwingkreis 1493 26.1.2.3 Vergleich der Schaltungen 1493 26.1.3 Schleifenverstärkung 1493 26.1.3.1 Berechnung bei Verstärkern ohne Rückwirkung 1493 26.1.3.2 Berechnung bei Verstärkern mit Rückwirkung 1495 26.1.3.3 Güte der Schleifenverstärkung 1497 26.1.3.4 Übertragungsfunktion und Zeitsignale 1498 26.1.3.5 Schleifenverstärkung bei Übersteuerung 1500 26.1.3.6 Negative Widerstände 1501 26.1.4 LC-Osziilatoren mit zweistufigen Verstärkern 1502 26.1.4.1 Zweistufiger LC-Oszillator mit Parallelschwingkreis . 1502 26.1.4.2 Zweistufiger Oszillator mit Serienschwingkreis 1506 26.1.4.3 Zusammenfassung der wichtigen Punkte 1508 26.1.5 LC-Oszillatoren mit einstufigen Verstärkern 1509 26.1.5.1 Colpitts-Oszillator in Basisschaltung 1510 26.1.5.2 Colpitts-Oszillator in Kollektorschaltung 1515 26.1.5.3 Colpitts-Oszillator in Emitterschaltung 1521 26.1.5.4 Colpitts-Oszillator mit CMOS-Inverter 1522 26.1.5.5 Colpitts-Oszillator mit Differenzverstärker 1523 26.1.5.6 Eigenschaften integrierter und diskreter Colpitts-Oszillatoren 1525 26.1.5.7 Hartley-Oszillatoren 1527 26.1.5.8 Gegentaktoszillatoren 1528 26.1.5.9 Weitere Oszillatoren 1534 26.2 Oszillatoren mit Leitungen 1536 26.2.1 Leitungsresonatoren 1537 26.2.1.1 Ersatzschaltbild 1537 26.2.1.2 Betriebsbedingungen 1537 26.2.1.3 Berechnung der Elemente 1537 26.2.1.4 Praktische Leitungsresonatoren 1539 26.2.1.5 Leitungsparameter 1543 f 26.2.2 Schaltungen / 1545 26.2.2.1 Oszillatoren mit Leitungsresonatoren 1545 26.2.2.2 Oszillatoren mit dielektrisch'en Resonatoren 1549 26.3 Quarz-Oszillatoren 1549 26.3.1 Quarz-Resonatoren 1550 26.3.1.1 Ersatzschaltbild 1551 26.3.1.2 Impedanz und Resonanzfrequenzen 1551 26.3.1.3 Frequenzabgleich 1554 26.3.1.4 Verlustleistung 1556 26.3.1.5 Temperaturverhalten 1557 26.3.2 Schaltungen 1557 26.3.2.1 Taktoszillatoren 1558 26.3.2.2 Referenzoszillatoren 1561 26.3.3 Alternative Resonatoren 1567 26.3.3.1 Keramische Resonatoren 1567 26.3.3.2 Oberflächenwellen-Resonatoren 1567

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26.4 Frequenzabstimmung 26.4.1 Varaktoren 26.4.1.1 Bipolare Varaktoren 26.4.1.2 MOS-Varaktoren 26.4.1.3 Kleinsignalmodell 26.4.2. Abstimmung 26.4.2.1 Abstimmung eines Parallelschwingkreises 26.4.2.2 Kennlinie 26.4.2.3 Abstimmung eines Serienschwingkreises 26.4.2.4 Breitband-Abstimmung 26.4.2.5 Aussteuerung 26.4.2.6 Modulation 26.5 Amplitudenregelung 26.5.1 Regelung und Begrenzung 26.5.2 Regelmechanismen 26.5.2.1 Regelung über den Ruhestrom 26.5.2.2 Regelung mit Stromteiler 26.5.3 Amplitudenmessung 26.6 Phasenrauschen 26.6.1 Darstellung im Zeit- und im Frequenzbereich 26.6.1.1 Zeitbereich 26.6.1.2 Frequenzbereich 26.6.2 Entstehung 26.6.2.1 Linearer Anteil 26.6.2.2 Modulations- und Konversionsanteil 26.6.3 Frequenzteilung und Frequenzvervielfachung 26.6.4 Betrieb mit einer phasenstarren Schleife 26.6.5 Vergleich verschiedener Oszillatoren 27. Anhang 27.1 PSpice-Kurzanleitung 27.1.1 Grundsätzliches 27.1.2 Programme und Dateien ,/ 27.1.2.1 Spiee '. 27.1.2.2 PSpice ,. 27.1.3 Ein einfaches Beispiel '. 27.1.3.1 Eingabe des Schaltplans 27.1.3.2 Simulationsanweisungen eingeben 27.1.3.3 Simulation starten 27.1.3.4 Anzeigen der Ergebnisse 27.1.3.5 Arbeitspunkt anzeigen 27.1.3.6 Netzliste und Ausgabedatei 27.1.4 Weitere Simulationsbeispiele 27.1.4.1 Kennlinien eines Transistors 21A.4.2 Verwendung von Parametern 27.1.5 Einbinden weiterer Bibliotheken 27.1.6 Einige typische Fehler 27.2 Passive RC- und LRC-Netzwerke

xxxv

1569 1570 1570 1570 1571 1572 1572 1577 1579 1579 1582 1583 1584 1584 1585 1585 1586 1587 1589 1589 1589 1591 1594 1595 1598 1599 1601 1603 1605 1605 1605 1605 1605 1605 1608 1608 1613 1616 1616 1621 1622 1624 1624 1624 1628 1630 1632

xxxvi

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27.2.1

27.3 27.4 27.5 27.6 27.7

Der Tiefpass 27.2.1.1 Beschreibung im Frequenzbereich 27.2.1.2 Beschreibung im Zeitbereich 27.2.2 Der Hochpass 27.2.2.1 Anwendung als Koppel-RC-Glied 27.2.2.2 Anwendung als Differenzierglied 27.2.2.3 Reihenschaltung mehrerer Hochpässe 27.2.3 Kompensierter Spannungsteiler 27.2.4 Passiver RC-Bandpass 27.2.5 Wien-Robinson-Brücke 27.2.6 Doppel-T-Filter 27.2.7 Schwingkreis Erklärung der verwendeten Größen Typen der 7400-Logik-Familien Normwert-Reihen Farbcode Hersteller

Literaturverzeichnis Sachverzeichnis

1632 1632 1633 1636 1637 1638 1638 1638 1639 1640 1641 1643 1644 1651 1658 1659 1661 1669 1673