Leseprobe

Wolfgang Reinhold

Elektronische Schaltungstechnik

Grundlagen der Analogelektronik

ISBN (Buch): 978-3-446-45219-0

ISBN (E-Book): 978-3-446-45382-1

Weitere Informationen oder Bestellungen unter

http://www.hanser-fachbuch.de/978-3-446-45219-0

sowie im Buchhandel.

© Carl Hanser Verlag, München

Vorwort

Das Fachgebiet elektronische Schaltungstechnik umfasst einen sehr umfangreichen Teil derElektronik. Dieses Buch legt den Schwerpunkt auf die Schaltungsprinzipien zur Erzeugungund Verarbeitung analoger Signale. Durch diese Konzentration eröffnet sich die Möglich-keit, dem Studierenden die Einarbeitung in das Gesamtgebiet anhand einer durchgängigenSystematik zu erleichtern. Ziel der Darstellung ist die Herausarbeitung schaltungstechni-scher Grundkonzepte zur Realisierung der wichtigen funktionellen Baugruppen elektroni-scher Systeme. Auf Basis geeigneter mathematischer Methoden zur Schaltungsberechnungwerden die notwendigen Abstraktionen der Bauelemente- und Schaltungsmodellierung ab-geleitet, um ein anschauliches Verständnis und das ingenieurtechnische Handwerkszeug zurSchaltungsanalyse und Schaltungssynthese zu vermitteln. Ausgehend von den klassischenGrundschaltungen für Signalverstärker und elektronische Schalter werden systematisch diewichtigsten Aspekte der analogen Signalverarbeitung aufgezeigt.

In einer Reihe von Beispielen erhält der Leser Anregungen zur Nutzung des Netzwerkanaly-sators PSpice, um auch komplexe Zusammenhänge bei der Schaltungsanalyse anschaulichdarstellen zu können. Mein besonderer Dank gilt in diesem Zusammenhang Herrn RobertHeinemann. Mit der von ihm im Rahmen seines Buches „PSPICE – Einführung in die Elektro-niksimulation“ bereitgestellten PSpice-Demoversion konnten die Simulationen sehr kom-fortabel durchgeführt werden.

Die Internetseite www.fbeit.htwk-leipzig.de/∼est/index.html ist als Ergänzung zum Lehr-buch gedacht. Auf ihr werden neben den Lösungen zu den Übungsaufgaben des Buchesauch zusätzliche Informationen bereitgestellt. Diese umfassen u. a. ausführliche Herleitun-gen zu einigen sehr komplexen Gleichungen, auf die im Text explizit verwiesen wird, sowieDaten zu den vorgestellten PSpice-Simulationen.

Dieses Lehrbuch wendet sich hauptsächlich an Studenten der Elektrotechnik an Techni-schen Hochschulen und Fachhochschulen. Wegen seiner straffen und übersichtlichen Dar-stellung kann es aber auch als einführende Literatur für Universitätsstudenten empfohlenwerden. Vorausgesetzt werden lediglich Grundkenntnisse der Elektrotechnik und Mathe-matik. Zahlreiche Beispiele und Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen erleichterndie Einarbeitung in den Stoff und fördern die Selbstständigkeit.

Mein herzlicher Dank gilt den Kollegen der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnikder HTWK Leipzig für anregende Diskussionen sowie Frau Werner und Frau Kaufmann vomCarl Hanser Verlag für die Unterstützung bei der Gestaltung des Buches.

Leipzig, im Mai 2010 Wolfgang Reinhold

Vorwort zur 2. Auflage

Dieses Buch hat in den vergangenen Jahren eine große Resonanz gefunden. Davon zeugenzahlreiche Leserzuschriften. Mein Dank gilt allen interessierten Lesern, die mit ihren Anre-gungen und Hinweisen zur Überarbeitung des Buches beigetragen haben.

Der aktive Einsatz dieses Buches in der Hochschullehre erleichterte das Auffinden von Feh-lern, die sich bei einem neuen Buch leider nicht ganz vermeiden lassen. Neben der Korrek-tur dieser Fehler lag der Schwerpunkt der Überarbeitung auf der Präzisierung von Erläute-rungen und der Verbesserung der Aussagekraft einiger Bilder. Dem Einsteiger soll damit einleichteres Verständnis der Zusammenhänge ermöglicht werden.

Leipzig, im Juli 2017 Wolfgang Reinhold

Inhalt

1 Physikalische Grundlagen der Halbleiterelektronik . . . . . . . . . 131.1 Leitfähigkeit von Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1.1 Eigenleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1.2 Halbleiter mit Störstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Ladungsträgergeneration in Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.3 Ladungsträgertransport in Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen . . . . . . . . 222.1 Analysemethoden und -werkzeuge zur Schaltungsberechnung . . . . . . . . . . . . 23

2.1.1 Ersatzschaltbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.2 Groß- und Kleinsignalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.1.3 Kleinsignalersatzschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2 Vierpoldarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3 Zusammenschaltung von Vierpolen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4 Vierpole mit äußerer Beschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5 Darstellung des Übertragungsverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.6 Signalflussdarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.7 Computergestützte Netzwerkanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3 Halbleiterdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1 pn-Übergang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.1 Wirkprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.2 Strom-Spannungs-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.1.3 Ladungsspeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2 Kleinsignalverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.3 Schaltverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4 Temperaturverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.5 Spezielle Dioden und ihre Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.5.1 Gleichrichterdiode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533.5.2 Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.5.3 Kapazitätsdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.5.4 Tunneldiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.5.5 Schottky-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.6 Mikrowellendioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.6.1 IMPATT-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.6.2 Gunn-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

8 Inhalt

4 Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.1 Wirkprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.2 Strom-Spannungs-Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.3 Nutzbarer Betriebsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724.4 Bipolartransistor als Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.4.1 Kleinsignalmodell des Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.4.2 Frequenzabhängigkeit des Übertragungsverhaltens des Bipolartran-

sistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.5 Temperaturverhalten von Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.6 Arbeitspunktabhängigkeit der Stromverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 854.7 Bipolartransistor als elektronischer Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.7.1 Schaltung eines Transistorschalters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 864.7.2 Stationäres Schaltermodell des Bipolartransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.7.3 Dynamisches Verhalten eines Transistorschalters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5 Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.1 Aufbau und Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.2 Thyristorvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.3 Anwendungen von Thyristoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6 Feldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026.1 MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6.1.1 Wirkprinzipien verschiedener MOSFET-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036.1.2 Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.1.3 Ableitung der Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOSFET . . . . . . . . . 1086.1.4 MOSFET als Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

6.1.4.1 Kleinsignalmodell des MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.1.4.2 Frequenzabhängigkeit des Übertragungsverhaltens . . . . . . . . 1136.1.4.3 Effekte bei integriertem MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.1.5 MOSFET als elektronischer Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.1.6 Thermisches Verhalten des MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.2 Sperrschicht-FET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.2.1 Strom-Spannungs-Kennlinie eines SFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196.2.2 Kleinsignalverhalten eines SFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.3 SFET als Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

7 Rauschen elektronischer Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257.1 Widerstandsrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257.2 Diodenrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1277.3 Transistorrauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1287.4 Rauschspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.5 Rauschfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1307.6 Aufgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Inhalt 9

8 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338.1 Der ideale Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1338.2 Aufbau eines Operationsverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1348.3 Statische Kenngrößen realer Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1358.4 Dynamische Kenngrößen realer Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1398.5 Verstärkerschaltungen mit Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

8.5.1 Grundschaltungen eines Spannungsverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1418.5.2 Kompensation von Offsetspannung und Offsetstrom des Operati-

onsverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1428.6 Dynamisches Verhalten von Operationsverstärkerschaltungen . . . . . . . . . . . . 1438.7 Rauschen in Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1458.8 Moderne Operationsverstärkertypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1468.9 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

9 Optoelektronische Bauelemente und Halbleitersensoren . . . . 1509.1 Fotosensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1509.2 Leuchtdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1539.3 Optokoppler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1569.4 Spezielle Halbleitersensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

9.4.1 Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1569.4.2 Magnetfeldsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1589.4.3 Piezowandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

9.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

10 Lineare Verstärkergrundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16210.1 Allgemeines Kleinsignalmodell eines Spannungsverstärkers . . . . . . . . . . . . . . 16210.2 Einstufige Verstärker mit Bipolartransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

10.2.1 Emitterschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16510.2.2 Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17310.2.3 Kollektorschaltung (Emitterfolger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17510.2.4 Vergleich der einstufigen Transistorverstärkerschaltungen . . . . . . . . . . 177

10.3 Einstufige Verstärker mit Feldeffekt-Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17810.4 Grundschaltungen mit mehreren Transistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

10.4.1 Kaskodeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17910.4.2 Differenzverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18110.4.3 Stromspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18510.4.4 Differenzverstärker mit Stromspiegellast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18810.4.5 Transistor-Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18910.4.6 Darlington-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19210.4.7 Leistungsendstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

10.5 Frequenzverhalten von Verstärkerstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19910.6 Kopplung von Verstärkerstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20010.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

10 Inhalt

11 Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20611.1 Allgemeines Modell der Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20611.2 Schaltungsarten der Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20811.3 Effekte der Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

11.3.1 Einstellung eines definierten Übertragungsfaktors . . . . . . . . . . . . . . . . . 20911.3.2 Linearisierung des Übertragungsfaktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20911.3.3 Parameterempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21111.3.4 Einfluss der Gegenkopplung auf Ein- und Ausgangsimpedanz . . . . . . 21211.3.5 Übertragungsbandbreite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21411.3.6 Miller-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21511.3.7 Bootstrap-Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21611.3.8 Gezielte Beeinflussung des Frequenzganges eines Verstärkers . . . . . . . 216

11.4 Anwendungen der Gegenkopplungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21711.4.1 Operationsverstärkerschaltungen mit Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . 21711.4.2 Transistorschaltungen mit Gegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

11.5 Stabilität rückgekoppelter Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22211.6 Frequenzgangkorrektur von Verstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22511.7 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

12 Schaltungen mit Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22912.1 Lineare Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

12.1.1 Nicht invertierender Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22912.1.2 Invertierender Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

12.2 Rechenschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23112.2.1 Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23112.2.2 Subtrahierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23212.2.3 Differenzierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23512.2.4 Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23812.2.5 Multiplizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24112.2.6 Dividierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

12.3 Nichtlineare Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24212.4 Komparatoren und Schmitt-Trigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24312.5 Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24512.6 Schaltungstechnik mit modernen Operationsverstärkern . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

12.6.1 VC-OPV und seine Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24612.6.2 CV-OPV als Hochfrequenz-Baublock. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24812.6.3 CC-OPV und seine Anwendung als idealer Transistor . . . . . . . . . . . . . . . 250

12.7 Elektronische Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25112.7.1 P-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25212.7.2 PI-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25212.7.3 PID-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

12.8 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

Inhalt 11

13 Filterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25713.1 Filtereigenschaften und Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25713.2 Passive Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26213.3 Aktive RC-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

13.3.1 Tiefpässe 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26613.3.2 Hochpässe 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27113.3.3 Bandpässe 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27413.3.4 Bandsperren 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

13.4 Universalfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28013.5 SC-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

13.5.1 SC -Integrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28113.5.2 Schaltungsrealisierung von SC -Filtern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

13.6 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

14 Schwingungserzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28614.1 Sinusoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

14.1.1 Zweipoloszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28614.1.2 Vierpoloszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

14.1.2.1 Grundstruktur und Schwingbedingung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28914.1.2.2 RC -Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29014.1.2.3 LC -Oszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29314.1.2.4 Quarzoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

14.2 Impulsoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29814.2.1 Funktionsgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29814.2.2 Relaxationsoszillatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

14.2.2.1 Dreieck-Rechteck-Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29914.2.2.2 Kippschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300

14.3 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

15 Frequenzumsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30315.1 Amplitudenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

15.1.1 AM-Modulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30515.1.2 AM-Demodulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

15.2 Frequenzmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31015.2.1 FM-Modulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31315.2.2 FM-Demodulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

15.3 Phasenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31515.3.1 PM-Modulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31615.3.2 PM-Demodulatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

15.4 Mischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

12 Inhalt

16 Stromversorgungseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32116.1 Gleichrichterschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32116.2 Spannungsstabilisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

16.2.1 Ungeregelte Stabilisierungsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32616.2.2 Kontinuierliche Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32616.2.3 Diskontinuierliche Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

16.2.3.1 Drosselregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32916.2.3.2 Ladungspumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

16.3 Erzeugung von Referenzspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33516.3.1 Referenzspannungsquellen mit Z-Dioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33516.3.2 Bandgap-Referenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

16.4 Schaltnetzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33816.5 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

17 Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . 34217.1 Kennwerte von A/D- und D/A-Wandlern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

17.1.1 Stationäre Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34317.1.2 Dynamische Kennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

17.2 A/D-Wandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34717.2.1 A/D-Wandlung nach dem Zählverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34817.2.2 A/D-Wandlung mit sukzessiver Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35017.2.3 A/D-Wandlung nach dem Parallelverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35017.2.4 A/D-Wandlung nach dem Pipeline-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35117.2.5 Sigma-Delta-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352

17.3 D/A-Wandlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35417.3.1 D/A-Wandlung nach dem Zählverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35517.3.2 D/A-Wandlung nach dem Wägeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35617.3.3 D/A-Wandlung nach dem Parallelverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35917.3.4 Fehlerkorrigierende D/A-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

17.4 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

2 Berechnungsmethodenelektronischer Schaltungen

Die in diesem Buch behandelten elektronischen Schaltungen umfassen ausschließlich Lö-sungen zur Verarbeitung kontinuierlicher Signale. Diese Signale sind i. Allg. Ströme undSpannungen, deren Informationsgehalt durch stetige Zeitfunktionen beschreibbar ist. Elek-tronische Schaltungen realisieren signalverarbeitende Funktionen durch Netzwerke auselektronischen Bauelementen. Die wichtigsten Funktionseinheiten sind in Tabelle 2.1 zu-sammengestellt. Sie werden durch charakteristische Baugruppen realisiert. Durch Zusam-menschalten solcher Funktionseinheiten lassen sich komplexe signalverarbeitende Systemezusammensetzen.

Tabelle 2.1 Funktionseinheiten der Analogtechnik

Funktion Schaltung

Signalverstärkung Spannungsverstärker – Breitband-V. – Leistungs-V. – Instrumentations-V. –Isolations-V. – Hochfrequenz-V. – Operationsverstärker

Signalerzeugung Oszillatoren: LC-, RC-, Quarz-OszillatorenSignalgeneratoren: Sinus-, Rechteck-, Dreieck-, Sägezahn-G.Konstantstrom-, Konstantspannungs-, ReferenzspannungsquellenGesteuerte QuellenGesteuerte Oszillatoren: Spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), digitalgesteuerte Oszillatoren (DCOs)

Signalverknüpfung Summierer, Multiplizierer, Dividierer, Modulator, Demodulator

Signalformung Filter, Integrator, Differenzierer, Logarithmierer

Signalwandlung A/D- und D/A-Wandler, U/I- und I/U-Wandler, Q/U-Wandler, U/f-Wand-ler

Signalaufnahme Sensoren

Signalausgabe Aktoren, Anzeigeelemente

Betriebsspannungs-versorgung

Gleichrichter, Siebglied, Spannungsregler, Schaltnetzteile, DC/DC-Wand-ler

Für alle wichtigen Funktionseinheiten existieren zahlreiche schaltungstechnische Umset-zungen, bei denen sich die funktionelle Qualität und der Bauelementeaufwand proportio-nal verhalten. In den meisten Fällen werden die Funktionsgruppen durch die Kombinati-on von typischen analogen Grundschaltungen realisiert. Die Kenntnis dieser universell ein-setzbaren Baublöcke gehört zum wichtigsten Handwerkszeug des Schaltungstechnikers. Zuihnen gehören Verstärkerstufen, Differenzstufen, Stromspiegel, Referenzspannungsquellen,Stromquellen und Leistungsendstufen.

Schaltungssynthese. Für analoge Schaltungen ist eine automatische Schaltungssynthese zueiner vorgegebenen Systemfunktion mittels Software, wie sie für digitale Schaltungen exis-

2.1 Analysemethoden und -werkzeuge zur Schaltungsberechnung 23

tiert, wegen einer zu großen Lösungsvielfalt nicht möglich. Derzeit existieren lediglich füreinige spezielle Schaltungen parametrisierbare Modulgeneratoren.

Eine manuelle Schaltungssynthese basiert auf der Verwendung bekannter Schaltungen undderen Anpassung an die konkreten Anforderungen und Gegebenheiten. Diese Vorgehens-weise erfordert die Kenntnis einer großen Baublockbibliothek.

Bei der Verkettung von analogen Baublöcken haben deren Rückwirkungseigenschaften undihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Störungen oft spürbaren Einfluss auf die Gesamtfunk-tion. Eine Analyse dieser Rückwirkungseigenschaften elektronischer Schaltungen ist folglichein Schwerpunkt bei der Schaltungssynthese.

Betrachtungsebenen der Schaltungsfunktion bei der Synthese. Bei der Entwicklung ana-loger Schaltungen sind zahlreiche verschiedene Gesichtspunkte zu berücksichtigen. Die üb-liche Vorgehensweise besteht darin, einzelne Eigenschaften der eingesetzten Bauelementeund deren Auswirkung auf das Gesamtverhalten der Schaltung getrennt zu untersuchen. Diefolgenden Stichworte sollen einige der wichtigsten Gesichtspunkte benennen:� Arbeitspunktanalyse

– Einstellung des Arbeitspunktes der eingesetzten Bauelemente– Temperaturstabilität des Arbeitspunktes

� Signalübertragung mit linearisiertem Modell (Kleinsignalmodell)� Großsignalanalyse: Analyse von Signalverzerrungen bei großen Signalamplituden� Berücksichtigung der Grenzparameter bei der Bauelementeauswahl

– maximale Spannung– maximaler Strom– maximale Signalfrequenz

� Toleranz der Bauelementeparameter und ihre Auswirkung auf die Schaltungseigenschaf-ten

� parasitäre Effekte� Verlustleistungsbilanz→ Erwärmung der Schaltung→Wärmeabtransport� Rauschanalyse

Durch die Verwendung zugeschnittener Modelle lassen sich geeignete analytische Methodenfinden, um diese Einzelaspekte zu analysieren. Soll die Verkopplung mehrerer Eigenschaftenuntersucht werden, ist oft nur der Weg über eine numerische Bauelementemodellierung undSchaltungssimulation möglich.

2.1 Analysemethoden und -werkzeugezur Schaltungsberechnung

Für die Auswahl geeigneter Analysemethoden und -werkzeuge für analoge Schaltungen sinddie zu übertragenden Signale ausschlaggebend. Diese liegen meist als Zeitfunktionen vor. Ih-re Transformation in Frequenzfunktionen und eine anschließende Analyse der Schaltungenim Frequenzbereich führt häufig zu vereinfachten Analysemethoden und zusätzlich zu einerhöheren Anschaulichkeit der Ergebnisse. In Tabelle 2.2 sind einige Signaltypen und an diese

24 2 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen

angepasste mathematische Methoden zusammengestellt. Die hier dargestellten Signale X (t )können als Signalspannungen oder -ströme interpretiert werden.

Tabelle 2.2 Signaltypen und angepasste mathematische Methoden

Signale Methode

determiniert zeitkonti-nuierlich

perio-disch

harmonischmit konstanterAmplitude t

X komplexeRechnung

harmonisch mitexponentiellerAmplitude

t

X erweiterte kom-plexe Rechnung

allgemein mitkonstanterAmplitude

tTti

X Fourier-Reihe

nichtperi-odisch

zweiseitigbegrenzt

tti

X Fourier-Trans-formation

einseitigbegrenzt

t

X Laplace-Trans-formation

zeitdiskret periodische Abtastsignale

t

X diskrete Fourier-Transformation

nicht periodischeAbtastsignale

t

X Z-Transformation

stochastisch

t

X Wahrscheinlich-keitsrechnung

Korrelationsfunk-tionen

2.1 Analysemethoden und -werkzeuge zur Schaltungsberechnung 25

2.1.1 Ersatzschaltbilder

Ersatzschaltbilder stellen eine elektrische Interpretation der Funktion eines elektronischenBauelementes bzw. einer elektronischen Baugruppe in Form eines Netzwerkes (elektrischesNetzwerkmodell des realen Bauelementes) dar. Die komplexe Funktion des Bauelementesoder der Baugruppe wird in einem Ersatzschaltbild in einige wichtige Teilfunktionen zerglie-dert. Die Netzwerkelemente widerspiegeln einzelne Eigenschaften bzw. Teilfunktionen. Di-rekte Zusammenhänge bestehen zwischen messbaren Kennlinien eines Bauelementes, denErsatzschaltbildelementen und den Kennliniengleichungen. Die Genauigkeit der Repräsen-tation des realen Verhaltens wird entsprechend den Notwendigkeiten gewählt. Auf der Basisder Ersatzschaltbilder wird eine überschaubare Netzwerkberechnung der Gesamtschaltung(Bauelement mit äußerer Beschaltung) möglich.

Wichtige Elemente von Ersatzschaltbildern sind Widerstände, Kondensatoren, Spulen,Konstantstrom- und Spannungsquellen sowie gesteuerte Quellen (stromgesteuerte Strom-und Spannungsquellen, spannungsgesteuerte Strom- und Spannungsquellen).

Gesteuerte Quellen. Die Ströme bzw. Spannungen dieser Quellen sind von anderen Zweig-spannungen bzw. Zweigströmen der Ersatzschaltung abhängig. Ursache und Wirkung derSteuerung liegen an verschiedenen Stellen in der Ersatzschaltung (siehe Bild 2.1).

U = f I( ) I = f I( )AB AB

U = f U( ) I = f U( )AB AB

Bild 2.1 Gesteuerte Quellen, UAB Spannung zwischen zweiNetzwerkknoten, IAB Zweigstrom

Beispiel 2.1Die reale exponentielle Kennlinie einer Diode ist durch eine stückweise lineare Nähe-rung zu ersetzen und das entsprechende Ersatzschaltbild zu entwickeln.

Lösung:

Ua) b)

I

U0

U

I

Bild 2.2 Diodenkennliniea) real, b) stückweise lineare Näherung

Die stückweise lineare Näherung der Diodenkennlinie lässt sich durch

I =

0 für U 5U01Ri

(U −U0) für U =U0

beschreiben. Da keine geschlossene mathematische Beschreibung existiert, ergibt sichfür beide Teilbereiche eine separate Ersatzschaltung.

26 2 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen

U

I RU

U

I i

0a) b)Bild 2.3 Ersatzschaltungen der Diodennäherunga) für U 5 U0, b) für U = U0

�

2.1.2 Groß- und Kleinsignalanalyse

Großsignalanalyse. Halbleiterbauelemente haben i. Allg. ein nichtlineares Verhalten, d. h.,die Zusammenhänge zwischen Ein- und Ausgangsgrößen (meist Strom und Spannung) sindnichtlinear. Die Auswirkungen dieser Nichtlinearitäten auf die Signalübertragung wachsenmit steigender Signalamplitude. Die Behandlung analoger Schaltungen mit den aus der Elek-trotechnik bekannten Verfahren der Netzwerkanalyse führen zu komplizierten nichtlinearenGleichungen bzw. Differenzialgleichungssystemen, deren Berechnung einige Schwierigkei-ten bereitet. Alternative Lösungsmöglichkeiten ergeben sich durch grafische Methoden odernummerische Verfahren.

Grafische Berechnungsverfahren für elektronische Netzwerke basieren auf der Zerlegung derSchaltung in nichtlineare Teile, i. Allg. die Halbleiterbauelemente selbst, und den restlichenlinearen Teil. Sie sind auch anwendbar, wenn das Bauelementeverhalten nur messtechnischbestimmbar ist und werden häufig für die Arbeitspunktberechnung benutzt (siehe Bild 2.4).

Zu den nummerischen Berechnungsverfahren zählt die Simulation der Schaltung mittels ei-ner Netzwerkanalysesoftware (z. B. Spice [2.1]). Erst diese ermöglichen eine schnelle undgenaue Bewertung des Einflusses von Nichtlinearitäten auf das zu übertragende Signal. Ge-nannt sei hier die Klirrfaktoranalyse.

I

R

nichtlinearesBE

ZP UU

G

G

I

R

nichtlinearesBE

lineareraktiverZweipol

ZP

AP

UU

UG

G

I

UUU

I

I

I

GAP

AP

K

Bild 2.4 Grafische Arbeitspunktanalyse

Die in der Netzwerksimulation verwendeten Großsignalmodelle der Bauelemente basierenfür Bipolartransistoren auf dem Gummel-Poon-Modell (siehe Abschnitt 4.2) und für MOS-FET auf den Gleichungen (6.6) bis (6.28) [2.2], [2.3], [2.4].

Arbeitspunkt. Durch stationäre Ströme und Spannungen gekennzeichneter Ruhezustandeiner Schaltung bei fehlendem Eingangssignal.

Die Wahl der Lage des Arbeitspunktes auf der stationären Kennlinie eines Bauelementesist entscheidend für dessen nutzbare Eigenschaften und damit auch die Eigenschaften dergesamten Schaltung bezüglich der gewünschten Signalübertragung.

2.1 Analysemethoden und -werkzeuge zur Schaltungsberechnung 27

Kleinsignalanalyse. Meist wird von analogen Schaltungen die lineare (unverzerrte) Übertra-gung eines Signals erwartet. Besitzt das Signal eine kleine Amplitude, dann werden die Strö-me und Spannungen in der Schaltung nur geringfügig gegenüber ihren ArbeitspunktwertenU0, I0 verändert (siehe Bild 2.5). Die nichtlineare Kennlinie von Bauelement bzw. SchaltungI2 = f (U1) kann dann durch deren Anstieg im Arbeitspunkt angenähert werden. Es gilt

DI2 =d I2

dU1

∣∣∣∣U10

·DU1

UU0 1

1

2

2

0I

I

u

t

i

t

AP

Bild 2.5 Linearisierung im Arbeitspunkt

Die Berechnung der Schaltung vereinfacht sich dadurch enorm, denn es entstehen nur nochlineare Übertragungsfunktionen. Für sinusförmige Eingangssignale ergeben sich dann un-verzerrte rein sinusförmige Ausgangssignale. In komplexer Schreibweise ergibt sich

I 2 =d I2

dU1

∣∣∣∣U10

·U 1

Der Proportionalitätsfaktord I2

dU1

∣∣∣∣U10

stellt den entsprechenden Kleinsignalübertragungsfak-

tor dar. Im Beispiel besitzt er die Dimension eines Leitwertes, dessen Zahlenwert von derArbeitspunktlage abhängig ist.

Dieses lineare Übertragungsverhalten entspricht dem realen Verhalten der Schaltung umsobesser, je kleiner die Amplitude des Signals ist. Man spricht auch vom Kleinsignalverhalteneiner Schaltung.

2.1.3 Kleinsignalersatzschaltung

Auf der Basis der Kleinsignalmodelle aller Bauelemente einer Schaltung wird zur Berech-nung des Kleinsignalübertragungsverhaltens ein Kleinsignalersatzschaltbild für die gesam-te Schaltung gebildet. Dieses liefert einen linearen Zusammenhang zwischen den Ein- undAusgangsgrößen und eignet sich ausschließlich zur Berechnung des Kleinsignalübertra-gungsverhaltens. Sinusförmige Eingangssignale führen dann zu rein sinusförmigen Aus-gangssignalen.

28 2 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen

Zur Gewinnung des Kleinsignalersatzschaltbildes einer Schaltung sind deren Gleichspan-nungsquellen durch Kurzschlüsse und die Konstantstromquellen durch Leerlauf zu erset-zen.

2.2 VierpoldarstellungEin Vierpol ist eine Schaltung mit vier äußeren Anschlüssen, von denen zwei den Eingangund zwei den Ausgang eines Zweitors bilden (siehe Bild 2.6).

I

UU

1

21

I2

VierpoligesBE

Bild 2.6 Vierpol mit Ein- und Ausgangsgrößen

Klassifizierung von Vierpolen. Nach der Vierpoltheorie können Vierpole durch folgendeMerkmale klassifiziert werden.

Linearität : Vierpole mit linearem Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen hei-ßen linear, anderenfalls nichtlinear. Ein Maß für die Nichtlinearität der Signalübertragungist der Klirrfaktor K des Ausgangssignals bei rein sinusförmigem Eingangssignal.

K =

√∞∑i=2

U 2i√

∞∑i=1

U 2i

(2.1)

Der Quotient des Effektivwertes der Oberwellen bezogen auf den Gesamteffektivwert desSignals beschreibt den Verzerrungsgrad des Signals.

Leistungsbilanz: Aktive Vierpole enthalten Strom- oder Spannungsquellen, die auch von denEingangsgrößen gesteuert sein können. Passive Vierpole enthalten keine Quellen. Die Leis-tungsbilanz aktiver Vierpole lautet:

PSa + PV = PSe + PH (2.2)

Die abgegebene Leistung setzt sich aus abgegebener Signalleistung PSa und im Vierpol um-gesetzter Wärmeverlustleistung PV zusammen. Zugeführt wird die EingangssignalleistungPSe und eine Hilfsleistung PH aus der Stromversorgung.

Rückwirkungsfreiheit : Vierpole sind rückwirkungsfrei, wenn die Eingangsgrößen nicht durchdie Ausgangsgrößen beeinflussbar sind. Eine Signalübertragung existiert nur in eine Rich-tung.

Symmetrie: Vierpole sind symmetrisch, wenn eine Vertauschung der Ein- und Ausgangs-klemmen das elektrische Verhalten nicht beeinflusst.

2.2 Vierpoldarstellung 29

Umkehrbarkeit : Umkehrbare Vierpole besitzen in beide Richtungen den gleichen Übertra-gungswiderstand bzw. Übertragungsleitwert. Es gilt

Z 12 = Z 21 und Y 12 = Y 21

Die Vierpoldarstellung wird in der analogen Schaltungstechnik zur Beschreibung des Klein-signalverhaltens elektronischer Schaltungen genutzt.

Vierpolgleichungen. Das Übertragungsverhalten linearer Vierpole wird durch ein linearesGleichungssystem, die Vierpolgleichungen, vollständig beschrieben. Die Beziehungen dervier Klemmengrößen U 1, U 2, I 1, I 2 zueinander sind durch die Vierpolparameter (Proportio-nalitätsfaktoren) erfasst. Je nach Anordnung der Ströme und Spannungen in den Vierpolglei-chungen ergeben sich verschiedene Beschreibungsformen. Für Transistorgrundschaltungensind z. B. die Leitwertform und die Hybridform von besonderer Bedeutung.

Wichtige Formen der Vierpolgleichungen lauten in Matrizenschreibweise

Impedanzmatrix:(U 1U 2

)=

(z11 z12z21 z22

)(I 1I 2

)(2.3)

Admittanzmatrix:(I 1I 2

)=

(y

11y

12y

21y

22

)(U 1U 2

)(2.4)

Hybridmatrix:(U 1I 2

)=

(h11 h12h21 h22

)(I 1U 2

)(2.5)

Invershybridmatrix:(I 1U 2

)=

(g

11g

12g

21g

22

)(U 1I 2

)(2.6)

Kettenmatrix:(U 1I 1

)=

(a11 a12a21 a22

)(U 2−I 2

)(2.7)

Hinweis: Bei der Schreibweise der Kettenmatrix A wird entgegen der bisherigen Einführungder positiven Richtung des Ausgangsstroms I 2 ein Bezug auf den auswärts fließenden Aus-gangsstrom−I 2 eingeführt. In der Literatur wird diese Variante bevorzugt, da dieser mit demeinwärts fließenden Eingangsstrom einer verketteten Folgeschaltung identisch ist (siehe Ab-schnitt 2.3).

Interpretation der Vierpolparameter. Die elektrische Interpretation der Vierpolparameterleitet sich aus den Vierpolgleichungen ab. Ihre Berechnung bzw. Messung erfolgt jeweils beiKurzschluss oder Leerlauf an bestimmten Ein- bzw. Ausgängen des Vierpols. Eine Zusam-menstellung liefert Tabelle 2.3.

30 2 Berechnungsmethoden elektronischer Schaltungen

Tabelle 2.3 Vierpolparameter

Gl eichung Bezeichnung

z11 =U 1

I 1

∣∣∣∣I 2=0

Leerlauf-Eingangsimpedanz

z12 =U 1

I 2

∣∣∣∣I 1=0

Leerlauf-Transimpedanz (rückwärts)

z21 =U 2

I 1

∣∣∣∣I 2=0

Leerlauf-Transimpedanz (vorwärts)

z22 =U 2

I 2

∣∣∣∣I 1=0

Leerlauf-Ausgangsimpedanz

y11

=I 1

U 1

∣∣∣∣U 2=0

Kurzschluss-Eingangsadmittanz

y12

=I 1

U 2

∣∣∣∣U 1=0

Kurzschluss-Transadmittanz (rückwärts)

y21

=I 2

U 1

∣∣∣∣U 2=0

Kurzschluss-Transadmittanz (vorwärts)

y22

=I 2

U 2

∣∣∣∣U 1=0

Kurzschluss-Ausgangsadmittanz

h11 =U 1

I 1

∣∣∣∣U 2=0

Kurzschluss-Eingangsimpedanz

h12 =U 1

U 2

∣∣∣∣I 1=0

Leerlauf-Spannungsrückwirkung

h21 =I 2

I 1

∣∣∣∣U 2=0

Kurzschluss-Stromverstärkung

h22 =I 2

U 2

∣∣∣∣I 1=0

Leerlauf-Ausgangsadmittanz

Gl eichung Bezeichnung

g11

=I 1

U 1

∣∣∣∣I 2=0

Leerlauf-Eingangsadmittanz

g12

=I 1

I 2

∣∣∣∣U 1=0

Kurzschluss-Stromrückwirkung

g21

=U 2

U 1

∣∣∣∣I 2=0

Leerlauf-Spannungsverstärkung

g22

=U 2

I 2

∣∣∣∣U 1=0

Kurzschluss-Ausgangsimpedanz

a11 =U 1

U 2

∣∣∣∣I 2=0

reziproke Leerlauf-Spannungsverstärkung

a12 =U 1

−I 2

∣∣∣∣U 2=0

negative reziproke Kurz-schluss-Transadmittanz

a21 =I 1

U 2

∣∣∣∣I 2=0

reziproke Leerlauf-Transimpedanz

a22 =I 1

−I 2

∣∣∣∣U 2=0

negative reziproke Kurz-schluss-Stromverstärkung

Beispiel 2.2Es sind die Messschaltungen zur Bestimmung der h-Parameter eines Vierpols anzuge-ben.

Lösung:

U UU

U

I

I I I

1 12

2

1

1 2 2

VP

VP

VP

VP

a)

c)

b)

d)Bild 2.7 Messschaltungenzur Bestimmung der h-Parameter

�

2.2 Vierpoldarstellung 31

Tabelle 2.4 Umrechnung der Vierpolparameter

(z) (y) (h) (g ) (a)

(z)

(z11 z12

z21 z22

) y

22

Dy−

y12

Dy

−y

21

Dy

y11

Dy

Dhh22

h12

h22

−h21

h22

1h22

1g

11

−g

12

g11

g21

g11

Dg

g11

a11

a21

Daa21

1a21

a22

a21

(y )

z22

Dz− z12

Dz

− z21

Dzz11

Dz

(

y11

y12

y21

y22

) 1

h11−h12

h11

h21

h11

Dhh11

Dg

g22

g12

g22

−g

21

g22

1g

22

a22

a12−Da

a12

− 1a12

a11

a12

(h)

Dzz22

z12

z22

− z21

z22

1z22

1y

11

−y

12

y11

y21

y11

Dy

y11

(

h11 h12

h21 h22

) g

22

Dg−

g12

Dg

−g

21

Dg

g11

Dg

a12

a22

Daa22

− 1a22

a21

a22

(g )

1

z11− z12

z11

z21

z11

Dzz11

Dy

y22

y12

y22

−y

21

y22

1y

22

h22

Dh−h12

Dh

−h21

Dhh11

Dh

(

g11

g12

g21

g22

) a21

a11−Da

a11

1a11

a12

a11

(a)

z11

z21

Dzz21

1z21

z22

z21

−

y22

y21

− 1y

21

−Dy

y21

−y

11

y21

−Dh

h21−h11

h21

−h22

h21− 1

h21

1g

21

g22

g21

g11

g21

Dg

g21

(

a11 a12

a21 a22

)

D Determinante der Matrix: z. B. Dh = h11h22 − h12h21

Vierpolersatzschaltbilder. Die in den Vierpolgleichungen ausgedrückten Zusammenhängezwischen Ein- und Ausgangsgrößen eines linearen Vierpols lassen sich durch ein Vierpoler-satzschaltbild veranschaulichen. Die Verkopplungen zwischen den Anschlussklemmen wer-den durch Ersatzschaltbildelemente in Form von komplexen Widerständen bzw. Leitwertenund gesteuerten Quellen repräsentiert. Bild 2.8 zeigt die wichtigsten von ihnen.

Das p-Ersatzschaltbild ist insbesondere für die physikalisch orientierte Transistorbeschrei-bung von Bedeutung. Zwischen p- und y-Ersatzschaltbild besteht folgender Zusammen-hang:

Y 1 = y11

+ y12

(2.8)

Y 2 = y22

+ y12

(2.9)

Y 3 = −y12

(2.10)

S = y21− y

12(2.11)

Umrechnung der Vierpolparameter. Die verschiedenen Vierpolbeschreibungen sind inein-ander umrechenbar. Dies kann notwendig sein, um die Berechnung einer bestimmten Schal-tung zu vereinfachen. Die Zusammenhänge enthält Tabelle 2.4.

Index

A

A-Betrieb 193AB-Betrieb 198Abfallzeit 52, 91Abtastfilter 261Abtastfrequenz 347Abtast-Halte-Glied 349 f.Abtastrate 346Abwärtswandler 329Addierer 231Admittanzmatrix 29A/D-Wandler 342aktiver Bereich 69Akzeptoren 15AM-Demodulator 307AM-Modulator 305Amplitudenbedingung 222, 290Amplitudenfrequenzgang 35, 258Amplitudenmodulation 304Anreicherungs-Typ 103Anstiegszeit 90aperiodischer Grenzfall 288Apertur-Fehler 346Arbeitsbereich, sicherer 72Arbeitspunkteinstellung 73, 165Arbeitspunktstabilisierung 83, 171Arbeitspunktverschiebung 75Arbeitspunktwahl 170, 175, 177Atombindung 14Auflösung 342, 353Aufwärtswandler 331Ausgangskennlinie 68Ausgangsleitwert 111, 120Ausgangswiderstand 76, 177Ausschaltfaktor 90Aussteuerbereich 170, 175, 177automatische Verstärkungssteuerung 147

B

Backgatesteilheit 114Bahnwiderstand 48

Bandabstand 16Bandbreite 199, 215, 226Bändermodell 15Bandgap-Referenz 336Bandmittenfrequenz 199Bandpass 262– 2. Ordnung 274 f.Bandsperre 262, 278– 2. Ordnung 278Basisbahnwiderstand 79Basisschaltung 80, 173, 177Basisstromeinspeisung 74Basisweite 65–, elektronische 71, 85B-Betrieb 196Besselfilter 260Besselfunktion 311Betriebsbereich, nutzbarer 46, 72, 106Betriebsparameter 33, 163Beweglichkeit 18Bipolartransistor 65– als elektronischer Schalter 86– als Verstärker 74Biquad 261Bodediagramm 35Body-Effekt 114Bootstrap-Effekt 216Bootstrap-Kapazität 216Brückengleichrichter 322Butterworthfilter 260, 280

C

Carson-Bandbreite 312Cauerfilter 260CC-OPV 147CMOS-Inverter 116CMRR 183Colpitts-Oszillator 313Current Conveyor Typ II 148Current-Feedback-OPV 147CV-OPV 147, 248

370 Index

D

Darlington-Schaltung 192D/A-Wandler 342–, fehlerkorrigierender 359D/A-Wandlungsverfahren 354Depletion-MOSFET 106Depletion-Typ 103Dezimierer 352Diac 98Diamond-Transistor 148, 250differenzielle Nichtlinearität 343Differenzierer 235Differenzverstärker 181, 188Differenzverstärkung 135, 182Diffusionskapazität 46, 48Diffusionslänge 15Diffusionsspannung 43Diffusionsstrom 20, 43Diode, thermische 158Diodenkennlinie 25, 69Diodenrauschen 127Diodensättigungsstrom 44, 52Diskriminator 314Dividierer 242DMOS-FET 117Donatoren 15Draindurchbruch 107Drainschaltung 178Driftquelle 84Driftverstärkung 172Drosselregler 329Dual-Slope-Verfahren 348Dunkelstrom 151Dunkelwiderstand 150Durchbruch 72Durchbruchspannung 45Durchflusswandler 339

E

Early-Effekt 70, 111Early-Spannung 70Ebers-Moll-Ersatzschaltbild 68Ebers-Moll-Modell 68Eigenleitung 13Eigenleitungsdichte 14Eingangskennlinie 68 f.Eingangswiderstand 76, 177Einschaltverzögerung 89Einschwingverhalten 224

Einweggleichrichter 321Einweggleichrichterschaltung 53Elektrometerverstärker 216, 230Elementarladung 18elliptische Filter 260Emitterfolger 175Emitterschaltung 77, 80, 165, 177–, Kleinsignalersatzschaltbild 166Empfindlichkeit, spektrale 150Enhancement-Typ 103ENOB 345Epitaxie-Planar-Transistor 65ER-Inverter 115Ersatzschaltbild 25–, h-, y-, p- 32– zur Arbeitspunkteinstellung 73

F

Feldeffekttransistor 102Feldstrom 20Fensterkomparator 245Fermipotenzial 109FET 102Filter, elliptische 260–, passive 262Filterapproximation 259, 284Filterkatalog 267Filterrealisierung 261Filterschaltung 257Filtertoleranzschema 259Flash-Wandler 350Flussspannung 45FM-Demodulator 314FM-Modulator 313Fotodiode 151Fotogeneration 19, 150 f.Fotosensor 150Fotostrom 151Fototransistor 152Fotowiderstand 150Freilaufdiode 55Frequenzgang 81, 139, 199, 216Frequenzgangkompensation 227Frequenzgangkorrektur 225Frequenzhub 316Frequenzmodulation 310Frequenzumsetzer 303Funkelrauschen 127Funktionsgenerator 298

G

Gatedurchbruch 106

Index 371

Gateschaltung 178Gegenkopplung 206 f.Gegentaktwandler 340Generation 14–, thermische 19Gleichrichterdiode 53Gleichrichterschaltung 321Gleichstromwiderstand 46Gleichtaktunterdrückung 135, 183Gleichtaktverstärkung 135, 183Grenzfrequenz 82, 113, 151, 214, 257– des Transistors 80Großsignalersatzschaltung 50Großsignalanalyse 26Gruppenlaufzeit 258GTO-Thyristor 98Gummel-Poon-Modell 88Gunn-Diode 62Gunn-Effekt 62Güte 263Gütefaktor 275

H

Hall-Effekt 158Hall-Element 159Hall-Spannung 159Heißleiter 156HF-Ersatzschaltbild 78Hochfrequenz-Kleinsignalmodell 78Hochfrequenzverhalten 112Hochpass, 1. Ordnung 274– 2. Ordnung 271Hüllkurvendetektor 314Hybridmatrix 29Hysterese 243

I

IGFET 103Impedanzmatrix 29Impulsoszillator 298Impulszündung 98instabile Rückkopplung 207integrale Nichtlinearität 343Integrator 238integrierter Schaltregler 333Intrinsic-Zone 54Inversbetrieb 67Invershybridmatrix 29Inverter 115invertierender Wandler 332

J

JFET 103Jitterfehler 346

K

Kaltleiter 157Kanalabschnürung 105Kanalladung 108Kanallängenverkürzung 111Kanalrauschen, thermisches 128Kanalstrom 109Kapazitätsdiode 58, 313kapazitive Kopplung 200Kaskodeschaltung 179–, Betriebsparameter 180Kettenmatrix 29, 32Kettenschaltung 32Kirk-Effekt 85Klasse-A-Verstärker 193Klasse-AB-Verstärker 198Klasse-B-Verstärker 196Kleinsignalanalyse 27Kleinsignalersatzschaltbild 27– des pn-Übergangs 48Kleinsignalersatzschaltung 27Kleinsignalmodell 75 f., 162– der Diode 48– des MOSFET 110Kleinsignalverhalten 47, 119Klirrfaktor 28, 311Kollektorschaltung 175, 177–, Betriebsparameter 176Komparator 243Konstantstromquelle 191Kopplung, direkte 200–, kapazitive 200–, RC - 200

L

Ladungspumpe 333–, integrierte 335Ladungsspeicherung 46Ladungsträgerlebensdauer 15, 19Ladungsträgertransport 20Laserdiode 154Laufzeit 47Lawinendurchbruch 46Lawineneffekt 56Lawinenvervielfachung 61LC -Oszillator 293

372 Index

Leistungsbilanz 28, 194Leistungsendstufe 193Leistungsschalter 332Leitfähigkeit 13, 18Leitwertmatrix 81Leitwertparameter 110Leuchtdiode 153Linearisierung 209Linearität 28Linearitätsfehler 343Löcherdichte 21Logarithmierer 243

M

Magnetfeldsensor 158Magnetowiderstand 158Majoritätsträger 17MESFET 118Mikrowellendiode 61Miller-Effekt 215Miller-Kapazität 226Minoritätsträger 17Mischer 317MISFET 103Mitkopplung 206 f., 222, 290Mittelpunktgleichrichter 322Modulationsgrad 304Modulationsindex 310Modulator 352Monotonie 346MOSFET 103– als elektronischer Schalter 115–, Kleinsignalmodell 110–, selbstleitender 103–, selbstsperrender 103MSB 350Multiplizierer 241

N

Nachlaufsynchronisation 308Nachziehfehler 347Nettogenerationsrate 19Nettorekombinationsrate 19NF-Verhalten 48NF-Verstärkung 139Nichtlinearität, differenzielle 343–, integrale 343Niederfrequenz-Kleinsignalmodell 76Niederfrequenzverhalten 111

NTC-Widerstand 156Nyquistkriterium 222

O

Offsetfehler 343Offsetspannung 136Offsetspannungsdrift 201Operationsverstärker 133–, frequenzgangkompensierter 226Operationsverstärkertypen 146Optokoppler 156OPV 133OPV-Schaltung 229OrCAD 37Ortskurve 35, 79Oszillator 207–, spannungsgesteuerter 309OTA 189oversampling 352

P

Parallelresonanzkreis 266Parallelschaltung 33Parallelschwingkreis 293Parameterempfindlichkeit 211Pegelversatzstufe 201Pentodenbereich 105Phasenanschnittsteuerung 98Phasenbedingung 222, 289Phasendetektor 309Phasenfrequenzgang 35, 258Phasenhub 316Phasenlaufzeit 258Phasenmodulation 315Phasenschieber 290Phasenschieber-Oszillator 290PID-Regler 253Pierce-Oszillator 296p-Ersatzschaltbild 78, 110Pinch off 105pin-Diode 54–, Durchbruchspannung 55Pipeline-Wandler 351PI-Regler 252PLL 308PLL-Demodulator 314PM-Demodulator 317PM-Modulator 316pnp-Transistor 67pn-Übergang 41Poisson-Gleichung 42Pole-Splitting-Kapazität 226

Index 373

Polgüte 275P-Regler 252PSpice 37PTAT-Spannung 336PTC-Widerstand 157Pulsdichtenmodulation 355Pulsweitenmodulation 355Punch Through 72

Q

Quantisierungsfehler 343Quantisierungsrauschen 353Quarzoszillator 295Quelle, gesteuerte 25

R

R2R-Netzwerk 357Rauschen 125, 145–, 1/ f - 127, 129–, weißes 125Rauschfaktor 130Rauschleistungsdichte 125Rauschmaß 130Rauschspannung 129RC -Biquad 280RC -Filter, aktive 266RC -Hochpass 262RC -Kopplung 200RC -Oszillator 290RC -Tiefpass 262Rechenregeln, für Blockschaltbilder 37Rechenschaltung 231Referenzspannungsquelle 326, 335, 337Referenzstromquelle 190Regler 251Reihenschaltung 33Rekombination 44–, direkte 153Relaxationsoszillator 299Resonanzfrequenz 264Resonanzkreis 314Resonanzschärfe 263Reststrom 71RL-Hochpass 262RL-Tiefpass 262Rückkoppelfaktor 207Rückkopplung, instabile 207–, stabile 207Rückkopplungsgrad 207Rückwirkungsfreiheit 28

S

Sallen & Key-Tiefpass 269, 284Sample & Hold 349Sättigungsspannung 86Sättigungsstrom 45, 119SC -Biquad 283SC -Filter 281Schaltdiode 55Schalter 65, 105, 115Schalterkennlinie eines pn-Übergangs 50Schaltermodell 87Schaltnetzteil 338Schaltregler, integrierter 333Schaltverhalten 50Schleifenverstärkung 207Schmitt-Trigger 243Schottky-Diode 60, 91Schottky-Transistor 91Schrotrauschen 127Schwellspannung 109, 114, 117Schwellwertschalter 243Schwingbedingung 222, 289Schwingungserzeugung 286Schwingungspaketsteuerung 99SC -Integrator 281Selbsterregung 207 f.Serienresonanzkreis 262, 266SFET 103, 118Shockley-Reed 217-Segmentanzeige 154Sigma-Delta-Wandler 352Signalflussdarstellung 36Signal-Rausch-Abstand 130, 344, 353Signalverzerrung 49SINAD 344Sinusoszillatoren 286Slewrate 140, 144Solarzelle 152Sourcefolger 178Sourceschaltung 178Spannungsfestigkeit 72Spannungsfolger 230spannungsgesteuerter Oszillator 309Spannungsregler 326Spannungsrückwirkung 76Spannungsrückwirkungskennlinie 68Spannungsstabilisierung 325Spannungsstabilisierungsschaltung 57Spannungs-Strom-Wandler 147, 218Spannungsverstärker 147, 162, 218Spannungsverstärkung 81, 133, 177

374 Index

Speicherladung 90Speicherzeit 51, 90Speicherzeitkonstante 90Sperrbereich 69, 105Sperrschicht 42Sperrschicht-FET 118Sperrschichtkapazität 46Sperrschichtweite 44Sperrstrom 44, 52, 83Sperrwandler 339Spiegelfrequenzproblem 319Spiegelverhältnis 186Sprungantwort 224stabile Rückkopplung 207Stabilisierungsfaktor 57, 64Stabilität 222, 225Steilheit 77, 111, 120Steilheitsverstärker 189, 209Störstelle 15Störstellenerschöpfung 16Störstellenreserve 16Stoßionisation 19Strombank 187, 245Stromflusswinkel 98, 323Stromquelle 189, 245–, gesteuerte 189–, spannungsgesteuerte 245–, stromgesteuerte 245Strom-Spannungs-Kennlinie 108Strom-Spannungs-Wandler 147, 218Stromspiegel 185, 245Stromübertragungskennlinie 68Stromversorgungseinheit 321Stromverstärker 218Stromverstärker-OPV 147Stromverstärkung 76, 79, 85, 177Stromverstärkungsfaktor 80Struktur, kristalline 13Subtrahierer 232Superhet-Empfänger 319Swiched-Capacitor-Filter 281Symmetrie 28Synchrondemodulation 308

T

Temperaturabhängigkeit 83, 117Temperaturbeiwert 52, 83Temperaturdrift 200Temperaturdurchgriff 53, 83Temperaturkoeffizient 56

Temperaturmessfühler 156Temperatursensor 156Temperaturspannung 20, 43Thermistor 156Thermoelement 157Thermowiderstand 156Thomson-Filter 260Thyristor 95Tiefpass, 1. Ordnung 270– 2. Ordnung 266Tiefpass-Bandpass-Transformation 274Tiefpass-Bandsperren-Transformation 278Tiefpass-Hochpass-Transformation 271Tiefpassschaltung 2. Ordnung 267Toleranzschema 259Transadmittanzverstärker 147, 246Transferstromquelle 68Transimpedanzverstärker 147, 209, 248Transistor 65Transistorrauschen 128Transistorschalter 86Transistorschaltung, mehrstufige 221Transistorverstärkerschaltung, einstufige 177Transitfrequenz 80, 225Triac 98Triodenbereich 105, 110Tschebyschefffilter 260–, inverse 260Tunneldiode 60Tunneleffekt 56, 60

U

Überabtastrate 352Übersteuerung 69, 90Übersteuerungsgrad 70, 86, 88Übersteuerungszustand 70Übertragungsbandbreite 214Übertragungsverhalten 75Umkehrbarkeit 29Umkehrfunktion 242Umkehrverstärker 231Universalfilter 280

V

VCO 309VC-OPV 147, 246– als Leitungstreiber 247Verarmungs-Typ 103Verarmungszone 42Verstärker 65, 69, 74, 105–, invertierender 230–, nicht invertierender 229

Index 375

Verstärkerstufe, Frequenzverhalten 199–, Kopplung 200Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt 140, 215Verstärkungsfehler 343Verstärkungssteuerung, automatische 147Vierpol 28Vierpolgleichung 29Vierpoloszillator 289Vierpolparameter 29, 75–, Umrechnung 31Vierquadrantenmultiplizierer 242virtuelle Masse 231VV-OPV 147

W

Wandler, invertierender 332–, piezoelektrischer 159–, piezoresistiver 159Weak-Inversion-Strom 115

Widerstand, differenzieller 48–, thermischer 72Widerstandsrauschen 125Wien-Oszillator 291WILSON-Spiegel 186, 189

Y

y-Parameter 81

Z

Z-Diode 56, 191Zener-Effekt 56Zone, verbotene 15, 153Z-Spannung 56Zündspannung 95Zweipoloszillator 286Zweiquadrantenmultiplizierer 242, 247Zweiweggleichrichter 321