Analoge Schaltungen [3 ed.]

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Inhaltsverzeichnis

Schreibweiseund Formelzeichen der wichtigsten Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.

19

Einführung und allgemeine Hilfsmittel

1.1. Aufgaben, Anwendungen und Funktionsprinzipien analoger Schaltungen. . . . . . . . ..

19

1.2. Transistormodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2.1. Bipolartansistoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2.1.1. Statisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2.1.2. Lineares Kleinsignalverhalten " 1.2.2. Feldeffekttransistoren 1.2.2.1. Statisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2.2.2. Lineares Kleinsignalverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2.2.3. Der Feldeffekttransistor als steuerbarer Widerstand

21 22 22 24 29 29 29 31

1.3. Vereinfachte Berechnung linearer Netzwerke. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

31

1.4. Dynamische Widerstandsveränderung (Miller- und Bootstrap-Effekt) .... . . . . . . . ..

35

nichtlinearer Systeme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Taylorreihenentwicklung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Fourierreihenentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Klirrfaktor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

38 38 39 39

1.5. Analyse 1.5.1. 1.5.2. 1.5.3.

Arbeitspunktprobleme bei einfachen Transistorstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

40

2.1. Bipolartransistor........................................................... 2.1.1. Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung Drift. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.1.2. 2.1.3. Lineare Schaltungen zur Arbeitspunktstabilisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ,. .. . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.1.4. Nichtlineare Kompensationsschaltungen 2.1.5. Arbeitspunktstabilisierung bei analogen integrierten Schaltungen 2.1.6. Thermische Probleme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . ..

2.

40 40 43 45 48 49 50

2.2. Feldeffekttransistoren 2.2.1. Arbeitspunkt 2.2.2. Arbeitspunkteinstellung und -stabilisierung. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

55 55 55

3.

Einfache Transistorstufen (Grundschaltungen). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

59

3.1. Analyseverfahren .. . . . . . . .. . .... .. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. 3.1.1. Grafische Analyse (statische und dynamische Arbeitsgerade) 3.1.2. Lineare Kleinsignalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.1.2.1. Vierpolanalyse .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.1.2.2. Analyse mit 7t-Ersatzschaltbild (physikalisches Ersatzschaltbild)

59 60 60 61 64

3.2. Überblick über die drei Bipolar- und FET-Grundschaltungen. Gesteuerte Quellen in den drei Grundschaltungen 3.2.1. Aktive Bauelemente und gesteuerte Quellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65 65

8

Inhaltsverzeichnis

Ideale gesteuerte Quellen in den drei Grundschaltungen mit Stromgegenkopplung Vergleich zwischen den Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

65 66

3.3. Emitterschaltung 3.3.1. Statisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.3.2. Signalverstärkung bei niedrigen Frequenzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.3.2.1. Konstantes Emitterpotential 3.3.2.2. Stromgegenkopplung 3.3.2.3. Spannungsgegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.3.3. Signalverstärkung bei hohen Frequenzen. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . ..

68 68 71 71 73 76 77

3.4. Sourceschaltung........................................................... 3.4.1. Statisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.4.2. Signalverstärkung bei niedrigen Frequenzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.4.3. Signalverstärkung bei hohen Frequenzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

80 81 81 83

3.5. Emitterfolger (Kollektorschaltung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.5.1. Statisches Verhalten. Aussteuerbereich 3.5.2. Signalverstärkung bei niedrigen Frequenzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.5.3. Signalverstärkung bei hohen Frequenzen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

85 86 88 91

3.6. Sourcefolger (Drainschaltung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.6.1. Statisches Verhalten. Bootstrap-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.6.2. Signalverstärkung bei niedrigen und hohen Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . ..

93 93 94

3.7. Basisschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.7.1. Statisches Verhalten. Aussteuerbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.7.2. Kleinsignalverhalten bei niedrigen und hohen Frequenzen

96 97 97

3.8. Darlington-Schaltung

98

3.2.2. 3.2.3.

3.9. Spezielle Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101 3.9.1. Kaskodeschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101 , 103 3.9.2. Kombination FET - Bipolartransistor 4.

Differenzverstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107

4.1. Unterschied zwischen Gleich- und Wechselspannungsverstärkern 4.2. Signalverarbeitung in Differenzverstärkern 4.3. Gleichtaktaussteuerbereich und Arbeitspunkteinstellung

107 108 " 115

4.4. Drift

117

4.5. Schaltungsvarianten

119

s.

Kopplung zwischen den Stufen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 123

5.1. Direkte Kopplung

123

5.2. Widerstandskopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 123 5.3. Z-Dioden-Kopplung....................................................... 125 5.4. Re-Kopplung............................................................. 125 5.5. Transformatorkopplung

125

5.6. Komplementärtransistorkopplung

125

5.7. Optoelektronische Kopplung

126

Inhaltsverzeichnis

6.

Bauelemente und Grundschaltungen in integrierten Analogschaltungen

9 127

6.1. Vergleich zwischen Bipolar- und MOS-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 127 6.2. Bipolartechnik 6.2.1. Aktive Bauelemente 6.2.2. Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.2.2.1. Widerstands- und Kapazitätstransformation 6.2.2.2. Konstantstromquellen. Stromspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 6.2.2.2.1. Konstantstromquellen und Stromspiegelschaltungen mit Bipolartransistoren 6.2.2.2.2. Konstantstromquellen und Stromspiegelschaltungen mit Feldeffekttransistoren 6.2.2.3. Referenzspannungsquellen. Bandgap-Referenz 6.2.2.4. Differenzverstärker 6.2.2.5. Koppelschaltungen

137 139 143 144

6.3. CMOS-Technik 6.3.1. Aktive Bauelemente 6.3.2. Grundschaltungen 6.3.2.1. Zeitkontinuierliche Schaltungen 6.3.2.2. SC-Schaltungen

146 146 146 147 148

7.

En~en(Leistungsstufen)

129 129 133 134 134 134

150

7.1. Quasilineare Leistungsstufen 7.1.1. Betriebsarten. Arbeitspunkteinstellung. Schaltungsstruktur 7.1.2. Eintaktstufen (A-Verstärker) 7.1.2.1. Emitterschaltung mit ohmscher Last. 7.1.2.2. Emitterfolger mit ohmschem Lastwiderstand 7.1.3. Gegentakt-B- und AB-Verstärker 7.1.3.1. Transformatorkopplung 7.1.3.2. Serienspeisung der Endtransistoren (Komplementärendstufen) 7.1.4. AB-Verstärker 7.1.5. Arbeitspunkteinstellung bei integrierten Schaltungen 7.1.6. Ausgangsstrombegrenzung 7.1.7. Höhere Spannungen, Ströme und Frequenzen 7.1.8. Dimensionierungsbeispiel 7.1.9. Monolithisch integrierte Leistungsverstärker

151 151 153 153 155 157 158 160 167 168 169 169 171 176

7.2. Unstetige Leistungsverstärker für analoge Signale. D-Verstärker 7.2.1. Grundlagen 7.2.2. D-Verstärker

180 180 182

7.3. Leistungs-MOSFET 7.3.1. Eigenschaften 7.3.2. Schalteranwendungen 7.3.3. Lineare Anwendungen 7.3.4. "Smart Power"-Elemente

184 185 187 188 189

7.4. Praktische Hinweise 7.5. Trendbetrachtung

190 190

8.

Allgemeines zu mehrstufigen Verstärkern

191

8.1. Einteilung der Verstärker. Forderungen

191

8.2. Grenzen

191

10

Inhaltsverzeichnis

8.3. Verstärkergrundtypen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194 8.4. Frequenzgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197 8.5. Impulsverhalten

200

8.6. Driftverstärkung

202

9.

203

Gegenkopplung

9.1. Grundgegenkopplungsarten

204

9.2. Gegenkopplungsgrundgleichung

204

9.3. Analyse gegengekoppelter Verstärker

206

9.4. Einfluß 9.4.1. 9.4.2. 9.4.3. 9.4.4. 9.4.5. 9.4.6. 9.4.6.1. 9.4.6.2. 9.4.6.3.

der Gegenkopplung auf die Eigenschaften des Verstärkers Verstärkungsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Eingangswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Ausgangswiderstand. Allgemeines Aussteuerbereich. Nichtlineare Verzerrungen Einwirkung äußerer Störsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Dynamisches Verhalten f-Pol-Übertragungsfunktion Gy{p) 2-Pol-Übertragungsfunktion Gy{p) Multipol-Übertragungsfunktionen GvCp)

209 209 211 213 215 215 216 216 218 222

10. Dynamische Stabilität gegengekoppelter Verstirker

225

10.1. Ursachen für dynamische Instabilität

225

10.2. Nyquist-Kriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226 10.3. Dynamische Stabilität im Bode-Diagramm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226 10.4. Amplituden- und Phasenrand

228

10.5. Frequenzgangkompensation 10.5.1. Verstärker ohne Frequenzgangkompensation 10.5.2. Möglichkeiten zur Realisierung der Frequenzgangkompensation 10.5.3. Kompensationsmethoden

229 229 230 231

11.

241

Operadonsverstärker (OV)

11.1. Eigenschaften und Kenngrößen idealer und realer Operationsverstärker

241

11.2. Operationsverstärker-Grundschaltungen (Spannungsverstärker) . . . . . . . . . . . . . . . . .. 244 11.3. Einfluß nichtidealer Eigenschaften des Operationsverstärkers

247

11.4. Einfluß und Kompensation von Offset-, Drift- und Ruhegrößen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 249 11.5. Großsignalverhalten (Slew Rate) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 252 11.6. Schaltungsstruktur von Operationsverstärkern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11.6.1. Beispiele von Operationsverstärker-Schaltungen 11.6.2. Modulationsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11.6.2.1. Zerhackerverstärker (Chopperverstärker). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11.6.2.2. Zerhackerstabilisierte Verstärker (Goldberg- und Landsbergschaltung) . . .. 11.6.2.3. Schwingkondensator- und Varicapverstärker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11.6.3. Verstärker mit Driftkorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. " 11.6.4. Zur Auswahl von Operationsverstärkern

255 256 266 269 275 279 280 282

11

Inhaltsverzeichnis 12.

284

"enrtärkerschaltmngen

12.1. Verstärkergrundtypen mit Operationsverstärkern

284

12.2. Verstärker für Gleichgrößen. Instrumentationsverstärker, Trennverstärker, Ladungsverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 291 12.3. NF-Verstärker

301

12.4. Selektivverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12.4.1. Allgemeines 12.4.2. Bipolarstufen 12.4.3. FET-Stufen 12.4.4. Mehrstufige ZF-Verstärker

302 302 307 308 309

12.5. Breitbandverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 310 12.6. Verstärkerrauschen 12.6.1. Allgemeines 12.6.2. Spektrale Rauschspannung. Spektraler Rauschstrom 12.6.3. Rauschersatzschaltungen von Verstärkern 12.6.4. Rauschanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12.6.5. Rauschbandbreite. Signal-Rausch-Abstand. Rauschzahl . . . . . . . . . . . . . . . .. 12.6.6. Rauschen mehrstufiger Verstärker

312 312 313 314 315 317 319

13. Lineare Rechen- und Regelschaltungen

320

13.1. Addier- und Subtrahierschaltungen

" 320

13.2. Konstantspannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 322 13.2.1. Referenzspannungserzeugung mit Z-Dioden 323 13.2.2. Stabilisierungsschaltungen mit Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 328 13.3. Konstantstromquellen 333 13.3.1. Einfache Transistorstromquellen 334 13.3.2. Stromquellen mit Operationsverstärkern .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 335 13.4. Integratoren und andere Regelschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13.4.1. Integrator 13.4.2. Summations- und Differenzintegrator 13.4.3. PI-Regler......................................................... 13.4.4. Differentiator..................................................... 13.4.5. PID-Regler.......................................................

339 342 346 346 346 347

14. Filter..................................................................... 348 14.1. Realisierungsmöglichkeiten. Klassen von Filtern

348

14.2. Aktive Filter 14.2.1. Grundlagen 14.2.2. Realisierung von Tiefpaß- und Hochpaßfiltern 14.2.2.1. Tiefpaßfilter 2. Ordnung 14.2.2.2. Hochpaßfilter

351 351 354 354 356

14.2.2.3. Filter höherer Ordnung

357

14.2.3. Selektive Filter und Bandpässe 358 14.2.3.1. Bandpaß 358 14.2.3.2. Selektive Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 358 14.3. Mechanische Filter 14.4. Ladungsverschiebeelemente (Charge-Transfer Devices)

360 ,

, 362

12

Inhaltsverzeichnis

14.5. SC-Filter

" 363

14.6. Digitale Filter 14.7. Signalprozessor 2920

368 372

15. Stetig nichtlineare Verstärker- und Rechenschaltungen 15.1. Erzeugung von nichtlinearen Funktionen und Umkehrfunktionen 15.2. Logarithmierschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15.3. Delogarithmierschaltung "

376 377 377 380

15.4. Multiplizierer und Quadrierschaltungen 15.4.1. Multiplizierer mit variabler Steilheit 15.4.2. Logarithmier- und Delogarithmiermultiplizierer 15.4.3. Pulsmodulationsmultiplizierer 15.4.4. Weitere Varianten von Multiplizierern 15.5. Dividierer und Radizierer 15.5.1. Inverser Multiplizierer 15.5.2. Dividierer mit variabler Steilheit 15.5.3. Logarithmier- und Delogarithmierdividierer 15.5.4. Radizierer...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

381 382 386 387 388 388 389 389 389 390

16. Unstetig nichtlineare und rheolineare Schaltungen 16.1. "Ideale Diode" 16.2. Begrenzer 16.2.1. Serien- und Parallelbegrenzer. Totzone 16.2.2. Präzisionsbegrenzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16.3. Gleichrichterschaltungen 16.3.1. Klassifizierung... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16.3.2. Gleichrichterschaltungen für kleine Signale 16.4. Abtast- und Halteschaltung (Sampie and hold) 16.5. Diodenfunktionsgeneratoren 16.6. Analogkomparatoren (Spannungskomparatoren) 16.6.1. Statisches Verhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 16.6.2. Dynamisches Verhalten 16.6.3. Komparatoranwendungen ohne Kippverhalten 16.6.4. Komparatoranwendungen mit Kippverhalten

391 391 393 393 394 396 396 397 402 405 406 407 408 409 411

17. ~logschaUer.)lnal~ultiplexer 17.1. Analogschalter 17.1.1. Wirkungsprinzip .. , 17.1.2.

FET als Analogschalter

415 " 415 415 416

17.1.3. Schaltungsbeispiele 416 17.1.4. Nichtideales Verhalten 418 17.2. Analogmultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 420 18. Signalgeneratoren 18.1. Prinzip des rückgekoppelten Oszillators 18.2. Rechteckgenerator 18.3. Dreieckgenerator

423 424 425 426

Inhaltsverzeichnis

13

18.4. Univibrator

429 430 432 433 434 438 438 439

18.5. Sinusgeneratoren 18.5.1. RC-Oszillatoren 18.5.1.1. Phasenschieberoszillator 18.5.1.2. Wienbrückenoszillator 18.5.2. LC-Oszillatoren 18.5.2.1. Induktive Kopplung 18.5.2.2. Allgemeine Form einer rückgekoppelten Oszillatorschaltung 18.5.2.3. Dreipunktschaltungen 18.5.3. Quarzoszillatoren 18.5.4. Synthetische Schwingungserzeugung 18.6. Gesteuerte Oszillatoren

. . . . . . . . . . .

19.

. 448

Frequenzumsetzung

440

442 446 446

19.1. Modulatoren und Demodulatoren 19.1.1. Amplitudenmodulatoren und -demodulatoren 19.1.2. Frequenzmodulatoren und -demodulatoren 19.1.3. Pulsdauermodulator

. . . .

448 448 453 455

19.2. Mischstufen 19.2.1. Additive Mischung 19.2.2. Multiplikative Mischung 19.3. Frequenzverdopplung 19.4. Phasenregelkreis (PLL) 19.4.1. Wirkungsweise 19.4.2. Elemente des Phasenregelkreises 19.4.3. Anwendungen

. . . . . . . .

455 456 457 458 459 459 463 464

20. Analoge Schaltungen mit Optokopplern 20.1. Optokoppler

. 467

. 467 . 471 . 472 . 473 . 474

20.2. Grundschaltungen mit Optokopplern 20.3. Servo-Optokoppler-Schaltung 20.4. Differenz-Optokoppler-Schaltung 20.5. Modulationsverstärker mit Optokopplern 21. Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer

. 476

21.1. Digital-Analog-Umsetzer 21.1.1. Einführung 21.1.2. Parallele DA-Umsetzer 21.1.3. Indirekte DA-Umsetzer (serielle DAU) 21.1.4. Mikroprozessorkompatibilität 21.1.5. Anwendungen von DA-Umsetzern 21.1.6. Auswahl industrieller DA-Umsetzer 21.2. Analog-Digital-Umsetzer 21.2.1. Einführung 21.2.2. Klassifizierung 21.2.3. Parallelverfahren 21.2.4. Wägeverfahren (Sukzessive Approximation) 21.2.5. Zählverfahren (Serielle ADU) 21.2.5.1. Nachlauf- und Stufenrampen-AD-Umsetzer

. . . . . . . . . . . . . .

"

~

476 476 480 485 486 489 490 493 493 496 499 500

505 506

14

Inhaltsverzeichnis

21.2.5.2. Einflanken-AD-Umsetzer (Single-Slope). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21.2.5.3. Zweiflanken-AD-Umsetzer (Dual-Slope) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21.2.5.4. AD-Umsetzer mit Ladungsmengenkompensation (Ladungsausgleichsverfahren) 21.2.5.5. Delta-Sigma-AD-Umsetzer. Oversampling 21.2.6. AD-Umsetzer mit direkter Mitwirkung eines Mikrorechners . . . . . . . . . . . . .. 21.2.7. Mikroprozessorkompatibilität 21.2.8. Anwendungsgesichtspunkte 21.2.9. Auswahl industrieller AD-Umsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22.

Stromversorgung

22.1. Netztransformator und Gleichrichter 22.1.1. Einweggleichrichter (Halbwellengleichrichter) 22.1.2. Zweiweggleichrichter (Vollweggleichrichter) 22.1.3. Glättung der gleichgerichteten Spannung 22.1.4. Spannungsverdoppler- und Spannungsvervielfacherschaltungen 22.1.5. Siebglieder

508 509 515 520 524 525 526 529 536 537 539 541 543 544 545

22.2. Stabilisierungsschaltungen (stetig wirkend) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 546 546 22.2.1. Schaltungen ohne Regelung 22.2.2. Schaltungen mit stetiger Regelung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 547 22.2.2.1. Allgemeines 547 22.2.2.2. Praktisches Beispiel: Elektronisch stabilisierte Spannungsquelle für zwei Ausgangsspannungen unterschiedlicher Polarität 549 22.2.2.3. Überlastungsschutz 549 22.2.2.4. Umwandlung einer unipolaren in eine bipolare Spannung. . . . . . . . . . . . . .. 552 22.2.2.5. Integrierte Spannungsstabilisatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 552 22.3. Schaltregler als Gleichspannungswandler (dcfdc-Konverter) 22.3.1. Abwärtsregler (Buck-converter) 22.3.2. Aufwärtsregler (Boost-converter) 22.3.3. Spannungsinverter (Flyback-converter) 22.3.4. "Eisenloser" Spannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

554 555 560 561 561

22.4. Schaltnetzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22.4.1. Wirkprinzip. Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22.4.2. Gleichspannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22.4.2.1. Sperrwandler 22.4.2.1.1. Wirkungsweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22.4.2.1.2. Schalttransistor 22.4.2.1.3. Transformator 22.4.2.1.4. Dimensionierung 22.4.2.1.5. Varianten beim Sperrwandler 22.4.2.2. Durchflußwandler " , 22.4.2.3.

22.4.3. 22.4.4. 22.4.5.

563 563 565 567 567 568 570 573 573 574 Gegentaktwandler 575 Regelschaltung. Schaltnetzteil-Ansteuerschaltkreis B 260 575 Beispiel eines Schaltnetzteils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 578 Weiterer Trend 580

22.5. Pufferbetrieb. Funkentstörung

580

22.6. Zukünftige Entwicklung

581

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 582 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 589

311

12.5. Breitbandoerstärker

und besonders die Kaskodeschaltung zur Erzielung hoher Spannungsverstärkung bei hoher Bandbreite vorteilhafter. Aber auch Differenzverstärker mit kleinen Lastwiderständen bzw. mit nur einem Lastwiderstand (dann wirkt der andere Transistor als Emitterfolger!) eignen sich gut. Breitbandverstärker sind meist an ihren niedrigen Lastwiderständen zu erkennen (Größenordnung ~ 1 kQ). Sie bestimmen in Verbindung mit der parallel liegenden Kapazität die obere Grenzfrequenz der Stufe. Zusätzlich kann mit Hilfe kleiner Induktivitäten in Reihe zum Kollektoranschluß eine gewisse Kompensation der Parallelkapazitäten vorgenommen werden (L-Entzerrung). Häufig wird die kapazitive Belastung am Ausgang einer Stufe dadurch verringert, daß ein Emitterfo/ger zwischengeschaltet wird. Eine kapazitive Last CL an seinem Ausgang wirkt sich nur mit dem wesentlich kleineren Wert CLIß am Eingang aus (Impedanztransformation). 2 ----------------------,

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12

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