Schaltungstechnik (SC)

lektronik abor Schaltungstechnik (SC) Prof. Dr. Martin J. W. Schubert Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg Prof. Dr. M. Schubert Schalt...
Author: Kristina Kuntz
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lektronik abor

Schaltungstechnik (SC)

Prof. Dr. Martin J. W. Schubert Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg

Prof. Dr. M. Schubert

Schaltungstechnik

Ostbayerische TH Regensburg

Skript: Analoge Schaltungstechnik Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 1.1 Symbole und Zeichen 1.1.1 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.2 1.1.2.1 1.1.2.2 1.1.2.3

Quellen Normierte Symbole für Quellen Andere, übliche Symbole für Quellen Halbleiter-Bauelemente Transistorsymbole, mit denen wir arbeiten Varianten: ähnliche Transistor-Symbole Symbole mit mehreren Transistoren

1.2 Spannung, Strom und Ladung 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.5.1 1.2.5.2 1.2.5.3 1.2.6 1.2.6.1 1.2.6.2 1.2.6.3 1.2.7 1.2.8

Kirchhoff’sche Maschenregel Kirchhoff’sche Knotenregel Ströme und Ladungen eines Bauelementes Ströme und Ladungen einer Schaltung Spannungs- und Stromteiler Regeln zur Berechnung von Spannungs- und Stromteilern Anwendung von Spannungsteilern zur Impedanzmessung Parallelschaltung von Widerstand und Leitwert Energie-Quellen und -Senken Identifikation von Energie-Quellen und -Senken Umformung von Spannungs- und Stromquellen Spannungsquelle mit Spannungsteiler realisieren Lineare Überlagerung in linearen Netzwerken (lineare Superposition) R2R-Leiter: Spannungsteiler und D/A-Wandler

1.3 Verstärkung von Signalen in Netzwerken 1.3.1 1.3.2 1.3.3

Das Grundprinzip der Verstärkung Verstärkung eines Vierpols Das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt

1.4 Miller-Effekt 1.4.1 1.4.2 1.4.2.1 1.4.2.2 1.4.2.3 1.4.2.4

Miller-Effekt: Herleitung Miller-Effekt Anwendungen Miller-Effekt mit negativer Rückkopplung in bipolarer Verstärkerstufe Kaskoden-Schaltung zur Reduktion des Miller-Effekts Miller-Effekts mit positiver Rückkopplung: Bootstrapping Großsignalanwendung des Miller-Effekts in der Digitaltechnik -2-

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Schaltungstechnik

Ostbayerische TH Regensburg

1.5 Geschaltete Kapazitäten 1.5.1 1.5.2 1.5.3

Quer geschaltete Kapazität als äquivalenter Leitwert Quer geschaltete Kapazität als treibende Spannungsquelle Längs geschaltete Kapazität als äquivalenter Leitwert

1.6 Arbeiten mit Polen und Nullstellen 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.3.1 1.6.3.2

Pole und Nullstellen im Orts- und Bode-Diagrammen Pole und Nullstellen in Übertragungsfunktionen Die inverse Übertragungsfunktion Mathematische Betrachtungen und Folgerungen Anwendungen der inversen Übertragungsfunktion

1.7 Definition von Bel und deziBel (dB) 1.8 Die vier Axiome der Signalverarbeitung 1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.8.4 1.8.5 1.8.6

Zeitvarianz und Zeitinvarianz Linearität Kausalität Stabilität Anwendung der LZI-Eigenschaften Zusammenhang von Impuls- und Sprungantwort bei LZI-Systemen

1.9 Schaltkreisanalyse: Techniken und Werkzeuge 1.9.1 1.9.2 1.9.2.1 1.9.2.2 1.9.2.3 1.9.2.4

Einfachste Grundlagen einer Spice-Schaltungsbeschreibung Analysen .OP: Operating Point bzw. Arbeitspunkt .DC: Statische Großsignal-Analyse .TRAN: Dynamische Großsignal-Analyse .AC: Kleinsignal-Analyse

1.10 Refrenzen

2 Arbeiten mit einzelnen Halbleiter-Bauelementen 2.1 Einfache Transistor-Modelle 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.2.4 2.1.3 2.1.4

Bipolartransistor-Modelle Feldeffekt-Transistor-Modelle Eingangs-Charakteristiken des Feldeffekt-Transistors Ausgangs-Charakteristiken des Feldeffekt-Transistors Einfachste Modell-Gleichungen für MOSFET und JFET Eigenschaften und technische Bedeutung der CMOS-Technologie Die Grundschaltungen von Bipolar- und Feldeffekt-Transistoren Zusammenfassung der Kleinsignal-Impedanzen des Transistors

2.2 Transistoren als Schalter 2.2.1

Eigenschaften eines Schalters -3-

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2.2.2 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.2.4 2.2.4.1 2.2.4.2

Schaltungstechnik

Ostbayerische TH Regensburg

Bipolartransistor als Schalter FET als Schalter Generelle Eigenschaften (auch für Leistungsschalter) NMOS-Schalter in programmierbarer Logik Transmission-Gate: komplementärer (=ergänzender) MOS-Schalter Gemischt bipolare und CMOS (BiCMOS) Technologien Vergleich der Vor- und Nachteile verschiedener Logik-Technologien Gemischt bipolare und CMOS (BiCMOS) Technologien

2.3 CMOS-Technologie: Eigenschaften und technische Bedeutung 2.4 Berechnung der 3 Grundschaltungen des Bipolartransistors 2.4.1 2.4.1.1 2.4.1.2 2.4.1.3 2.4.1.4 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5

Emitter-Schaltung mit Bipolartransistor Emitter-Schaltung mit Lastwiderstand -> ∞ (Stromquelle): Emitter-Schaltung mit endlichem Lastwiderstand und rCE -> ∞: Emitter-Schaltung mit Lastwiderstand und rCE endlich: Emitter-Schaltung mit aktiver Last (typisch für integrierte Schaltungen) Basis-Schaltung mit Bipolartransistor Kollektor-Schaltung mit Bipolartransistor (Emitter-Folger) Variante der Emitter-Schaltung: mit Emitterwiderstand Variante der Emitter-Schaltung: Induktivität als Last

2.5 Berechnung der 3 Grundschaltungen des FETs 2.5.1 2.5.1.1 2.5.1.2 2.5.1.3 2.5.1.4 2.5.2 2.5.3

Source-Schaltung mit Feldeffekt-Transistor Source-Schaltung mit Lastwiderstand -> ∞ (Stromquelle): Source-Schaltung mit endlichem Lastwiderstand und rDS -> ∞: Source-Schaltung mit Lastwiderstand und rCE endlich: Source-Schaltung mit aktiver Last (typisch für integrierte Schaltungen) Gate-Schaltung mit Feldeffekt-Transistor Drain-Schaltung mit Feldeffekt-Transistor (Source-Folger)

2.6 Strom- und Spannungsquellen (Biasing Circuits) 2.6.1 2.6.1.1 2.6.1.2 2.6.1.3 2.6.1.4 2.6.1.5 2.6.1.6 2.6.1.7 2.6.1.8 2.6.1.9 2.6.1.10 2.6.1.11 2.6.1.12 2.6.1.13 2.6.2

Stromquellen Widerstand als Stromquelle Induktivität als Stromquelle Transistor als Stromquelle Selbstleitender JFET als Stromquelle Einfache Stromspiegel mit MOSFETs (Quellen und Senken) Einfache Stromspiegel mit Biopolartransistoren Verringerung des Basisstromfehlers beim bipolaren Stromspiegel Stromquellen mit Source- / Emitter-Widerständen Kaskadierter Stromspiegel mit MOSFETs und Bipolartransistoren Wilson Stromspiegel mit MOSFETS und Bipolartransistoren Stromspiegel mit Schwellenstrom Stromspiegel mit Iout ≠ Iin: Mehrfache Verwendung einer Transistor-Basiszelle Ausnutzen der unendlichen Impedanz einer idealen Stromquelle Treibende Spannungsquellen -4-

Prof. Dr. M. Schubert

2.6.2.1 2.6.2.2 2.6.2.3 2.6.2.4 2.6.2.5 2.6.3 2.6.3.1

Ostbayerische TH Regensburg

Batterie als treibende Spannungsquelle Widerstand, Diode, Zenerdiode als treibende Spannungsquellen Geschaltete Kapazitäten als treibende Spannungsquelle Bipolartransistor mit 2 Widerständen als treibende Spannungsquelle Geschachtelte Bipolartransistoren als treibende Spannungsquelle DC/DC-Wandler Abwärtswandler (Buck Converter) 2.6.3.1.1 2.6.3.1.2

2.6.3.2 2.6.3.3 2.6.3.4 2.6.3.5

Schaltungstechnik

Mit Längsregler und Wärmeverlusten: Pin > Pout Mit ausgeglichener Leistungsbilanz: Pin = Pout

Aufwärstwandler (Boost Converter) Kombinierte Aufwärts-/Abwärts-Wandler Wandler mit Vorzeichenumkehr Transformator

2.7 Verstärkerstufen mit einzelnem Bipolar-Transistor 2.8 Verstärkerstufen mit einzelnem Feldeffekt-Transistor 2.8.1 2.8.1.1 2.8.1.2 2.8.1.3 2.8.1.4 2.8.1.5 2.8.2 2.8.2.1 2.8.2.2 2.8.2.3

Diskreter Verstärker mit JFET in Source-Schaltung Einstellung des Arbeitspunktes an Gate und Source Berechnung des Drain-Stromes IDa für RL=0 Berechnung des Drain-Stromes IDa für RL-> JFET in Source-Schaltung mit beliebiger Last ZL Berechnung der Mindestwerte für die Kapazitäten Diskreter Verstärker mit JFET in Drain-Schaltung (Source-Folger) Einfachste Version des Source-Folgers Ausgangswiderstand und maximale Ausgangsamplitude getrennt einstellen Erhöhung des Eingangswiderstandes mittels Bootstrap - Schaltung

2.9 Kopplung von Verstärkerstufen 2.10 Klassifizierung von Verstärkerstufen

3 Verstärker für differentielle Signale 3.1 Die differentielle Eingangsstufe 3.1.1 3.1.1.1 3.1.1.2 3.1.1.3 3.1.1.4 3.1.1.5 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.2.3 3.1.2.4

Schaltungstechnik und Verhalten Differentielle Eingangsstufe mit MOSFETs Differentielle Eingangsstufe mit Bipolar-Transistoren Großsignalverhalten der differentiellen Eingangsstufe Kleinsignalverhalten der differentiellen Eingangsstufe Differentielle Eingangsstufe mit Kollektor-Widerstand Eigenschaften und charakteristische Größen Eingangsimpedanzen Common Mode Rejection Ratio (CMRR) Power Supply Rejection Ratio (PSRR) Common Mode Range (CMR)

3.2 Differentielle Verstärkerstufen für analoge Signale 3.2.1

Differential-In – Differential-Out Verstärker mit passiver Last

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Prof. Dr. M. Schubert

3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.1.4 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3

Schaltungstechnik

Ostbayerische TH Regensburg

Differential Input to Differential Output Verstärker, Emitter direkt gekoppelt Differential Input to Differential Output Verstärker, Emitter getrennt Digitally Probrammable Gain Amplifier (PGA) Verstärkung mit Lastimpedanz Single-Ended Verstärker mit zusätzlicher passiver Last Verstärkung mit Lastimpedanz Differentialstufe als gesteuerte Stromquelle Differentielle Verstärker mit aktiver Last Differentielle Eingangsstufe mit Stromspiegel Einfachste Differential Input to Differential Output CMOS Stufe Einfacher Rail-to-Rail Push-Pull CMOS Operationsverstärker

3.3 Beispiele für „Diff-In / Single-Ended-Out“ Verstärker 3.3.1 3.3.2

Das dreistufige Verstärkerprinzip für „Single-Ended“ Ausgänge Der TL08x von Texas Instruments

3.4 Vollständig differentielle (Diff-In / Diff-Out) Verstärker 3.4.1 3.4.2 3.4.3

Das Prinzip der gefalteten Kaskode Einfacher Diff-In / Diff-Out - Verstärker Vollständig symmetrischer Diff-In / Diff-Out - Verstärker

3.5 Spezielles + Aktuelles 3.5.1 3.5.2 3.5.2.1 3.5.2.2 3.5.3

Differentieller Komparator EEPROM Mixed-Signal-Schaltkreise Ladungspumpe zur erzeugung einer erhöhten Spannung Sense Amplifier Vorhergesagte 0,5-Volt Technologie und VT0>½VDD [7]: Bulk-Input

3.6 Referenzen

4 Schaltungen mit Operationsverstärkern 4.1 Der ideale Operationsverstärker 4.1.1 4.1.1.1 4.1.1.2 4.1.1.3 4.1.1.4 4.1.1.5 4.1.2 4.1.2.1

Idealer OP mit positiver Rückkopplung Komparator Schmitt-Trigger Oszillator Fensterkomparator Die wichtigsten Kennwerte realer Komparatoren Idealer OP mit negativer Rückkopplung Der virtuelle Kurzschluß 4.1.2.1.1 Das Prinzip des virtuellen Kurzschlusses 4.1.2.1.2 Anwendungsbeispiel des virtuellen KS: gesteuerte Stromquellen

4.1.2.2

Der ideale OP in der Grundschaltung als Invertierer 4.1.2.2.1 Das Prinzip des als Invertierer geschalteten OPs 4.1.2.2.2 Einfacher Invertierer 4.1.2.2.3 Summierer für Ströme: Strom-Spannungs-Wandler 4.1.2.2.4 Invertierender Summierer für Spannungen

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4.1.2.2.5 4.1.2.2.6 4.1.2.2.7 4.1.2.2.8 4.1.2.2.9 4.1.2.2.10 4.1.2.2.11 4.1.2.2.12 4.1.2.2.13 4.1.2.2.14 4.1.2.2.15 4.1.2.2.16 4.1.2.2.17

4.1.2.3

Schaltungstechnik

Ostbayerische TH Regensburg

Digital-Analog-Wandler Integrator Differenzierer Invertierer, Integrator, Differenzierer mit geschalteten Kapazitäten Differenzierer mit vorgeschaltetem Widerstand R1 Differenzierer mit Integrator im Rückkopplungszweig Integrator mit Nullstelle Einstellbarer Tiefpaß / Hochpass, RC seriell Einstellbarer Tiefpaß / Hochpass, RC parallel Einstellbarer Tiefpaß / Hochpass, RC parallel und seriell Invertierer für sehr hohe Spannungsverstärklungen Nichtlineare Funktionen: Logarithmus und Exponent Analoger Multiplizierer

Der ideale OP in der Grundschaltung als Nichtinvertierer 4.1.2.3.1 Idealer OP als Nichtinvertierer 4.1.2.3.2 Anwendung des Nichtinvertierers als Wechselspannungsverstärker

4.1.2.4 4.1.2.5 4.1.2.6 4.1.2.7 4.1.2.8 4.1.2.9 4.1.2.10 4.1.2.11 4.1.2.12

Kombinierter Invertierer und Nichtinvertierer Diff.-In / Single-Endet-out Verstärker mit Eingangsstrom Iin1 = - Iin2 Diff.-In / Single-Endet-out Verstärker mit Eingangsspannungen Uin1, Uin2 Diff.-In / Diff-Out – Buffer mit zwei OPs Diff.-In / Single-Ended Out – Instrumentation Amp., Voltage-Feedback (VFB) Diff.-In / Single-Ended Out – Instrumentation Amp., Current-Feedback (CFB) Messverstärker in Brückenschaltung Single-Ended → Differentiell Signalumwandlung mit CMFB - Einstellung Optional: SC Based CMFB Generation for Fully Differential CMOS-OpAmp

4.2 Der reale Operationsverstärker 4.3 Techniken zur Kompensation der Offset-Spannung 4.3.1 4.3.2 4.3.3

Justieren einer Kompensationsspannung Chopper-Stabilisierung Auto-Zero-Technik

4.4 Makromodelle für Operationsverstärker 4.4.1 4.4.2 4.4.3

Spannungsgesteuerte Spannungsquelle Spice-Macro für den TL08x mit JFET- Eingang Spice-Macro für den OP07 mit bipolarem Eingang

5 Rückgekoppelte Systeme 5.1 Das Prinzip der linearen Rückkopplung 5.1.1 5.1.2 5.1.2.1 5.1.2.2 5.1.2.3 5.1.2.4 5.1.2.5 5.1.2.6

System mit differentiellem Eingang System mit summierendem Eingang Mathematische Herleitung Signalfluß-Modell für den Summierer Signalfluß-Modell für den summierenden Integrierer Signalfluß-Modell für den summierenden Integrierer Anwendung 1: Rückgekoppeltes System 1. Ordnung mit Integrator Anwendung 2: Rückgekoppeltes System 2. Ordnung mit 2 Integratoren

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Schaltungstechnik

Ostbayerische TH Regensburg

5.2 Fehlerunterdrückung durch Rückkopplung 5.3 Stabilität rückgekoppelter Systeme 5.3.1 5.3.2 5.3.2.1 5.3.2.2 5.3.2.3 5.3.3

Stabilitätsbetrachtungen and der offenen Schleife Stabilitätsbetrachtungen an der geschlossenen Schleife D=1: Aperiodischer Grenzfall D>1: Kriechfall D