Hochfrequenztechnik: Bauelemente und einfache Funktionsgruppen

229 Pages·1999·9 MB·German

by  Dr. rer. nat. Heinz Vetter (auth.)

Heinz Vetter
Hochfrequenztechnik -
Bauelemente und einfache Funktionsgruppen
Springer
Berlin
Heidelberg
NewYork
Barcelona
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
Heinz Vetter
Hochfrequenz
technik -
Bauelemente
und einfache
Funktionsgruppen
Mit 140 Abbildungen
, Springer
Dr. rer. nat. HEINZ VETTER
-Berlin Köpenick -
ISBN-13: 978-540·64841·3 Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Vetter, Heim.:
Hochfrequellltechnik - Bauelemente und einfache Funktionsgruppen I Heim Vener.
BerHn; Heidelberg; New York; Barcelona; Honkong; l.ondon; Mailand; Paris; Singapur;
Tokio: Springer, 1999
ISBN -ll: 978·$40-64841·3 ~-lSBN-lJ:978·3-642-$9964-4
DOI: 10.1007/978.).642·59964-4
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CI Springer. Verlag Berlin Heidelherg 1999
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Satz: Camera ready· Vorlage vom Autor
SPIN: 10666989 68f3020' S 4 3 210 -Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort
Die Hochfrequenztechnik umfaßt den Teil der Informationselektronik, der sich
mit Funktionsgruppen, Baugruppen und Geräten zur Erzeugung, Verstärkung, Se
lektion, Modulation und Demodulation elektrischer Schwingungen sowie der Ab
strahlung elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich zwisc~en 20 kHz und
300 GHz beschäftigt. Allein aus dem Frequenzumfang wird verständlich, daß eine
Reihe von Einschränkungen der darzustellenden Themen notwehdig werden. Es
sollen nur analoge Schaltungen, deren Schwerpunkt im Frequenzbereich zwi
schen 20 kHz und 300 MHz liegen, Berücksichtigung finden. Dabei werden unter
analogen Schaltungen solche verstanden, bei denen das Ausgangssignal zu jedem
beliebigen Zeitpunkt proportional zum Eingangssignal ist. Wenn trotz der hohen
Frequenzen viel mit Hybridparametern (Hybridparameter sind Parameter mit ge
mischten Dimensionen, abgekürzt: h-Parameter) gearbeitet wird, dann deshalb,
weil sie am anschaulichsten darstellbar sind und wegen ihrer hauptsächlich reellen
Größen leicht zu behandeln und zu verstehen sind. Sie fördern das Verständnis flir
die Leitwertparameter erheblich, wobei das Arbeiten mit letzteren aufgrund ihres
komplexen Charakters aufwendiger ist. In der Analogtechnik werden heute vor
rangig integrierte Schaltkreise (lS) eingesetzt, dennoch werden hier schwerpunkt
mäßig diskrete Schaltungen behandelt, weil sie die Voraussetzung zum Verständ
nis der integrierten Schaltungen sind. Die Vielfalt der integrierten Schaltungen
zwingt ihrerseits wieder zu Einschränkungen. Darum werden stellvertretend eini
ge Schaltungsprinzipien, wie sie für analoge IS typisch sind, am Beispiel des klas
sischen Operationsverstärkers (das ist ein integrierter, mehrstufiger Breitband
verstärker) dargestellt. Die eingangs erwähnten Funktionsgruppen sollen solche
elektronischen Schaltungen sein, die nur eine wohl definierte Funktinon (z.B. Ver
stärkung, Schwingungserzeugung, Modulation usw.) realisieren, wohingegen
Baugruppen komplexere elektronische Schaltungen sind (z.B. Modulatoren, die
die Schwingungserzeugung, die Modulation und die Selektion beinhalten oder
Frequenzaufbereitungen, die die Schwingungserzeugung, die Mischung und die
Selektion enthalten können). Die erste Hälfte des vorliegenden Bandes befaßt sich
überwiegend mit Bauelementen und Funktionsgruppen, die andere Hälfte des er
sten Bandes sowie der zweite und dritte Band mit Baugruppen und Leitungen. Das
dreibändige Werk soll ingenieurtechnisch zugeschnittenes Wissen vermitteln, das
oft mit praxisgerechten Näherungen auskommen muß. Es wendet sich vorwie
gend an Studierende der Nachrichtentechnik, aber auch an Praktiker, die Verges
senes in Erinnerung zurückrufen wollen. Jedem Kapitel werden einige Bemer-
VI Vorwort
kungen zum Inhalt vorangestellt, um dem Leser Weg und Ziel der Themenerarbei
tung näher zu bringen.
In den Abschnitten Übungen werden zwei verschiedene Kategorien angeboten.
Unter der Bezeichnung Beispiele werden durchgerechnete Lehrbeispiele angege
ben, die dem Leser die Methodik des Lösungsweges näher bringen sollen, bei den
Aufgaben werden lediglich die Lösungen mitgeteilt, um die Selbstkontrolle zu er
möglichen. Es wurde auf möglichst vollständige Behandlung der Themen Wert
gelegt. Nur fur bestimmte, sehr spezielle Teile wurde von diesem Prinzip abgewi
chen, darum wurde auch nur wenig weiterführende Literatur angegeben. Wichtige
oder häufig wiederkehrende Formeln sind mit Nummern versehen; dabei gibt die
Ziffer vor dem Punkt das Kapitel und die nach dem Punkt die fortlaufende Num
mer an. Alle anderen Formeln gehören entweder zu den Herieitungen oder es wer
den aus ihnen weiterreichende Schlußfolgerungen gezogen.
Abschließend ist es mir ein Bedürfnis, all denen zu danken, die mittelbar oder
unmittelbar zur Entstehung des Buches beigetragen haben. Mein besonderer Dank
gilt den Herren Dipl.-Ing. Lottermoser und Dipl.-Ing. Quitschau fur wertvolle
Hinweise zum Rechnerprogramm fur die Erstellung des Manuskriptes. Desweite
ren habe ich Frau Kerstin Walter fur die mühevolle Arbeit der Herstellung der
Zeichnungen zu danken.
Berlin, Sommer 1998 Heinz Vetter
Inhaltsverzeichnis
Verwendete Symbole. ....... .......... ... ....... .......... ..... ... ..... ............... ........ ....... XIII
1 Verhalten passiver Bauelemente bei hohen Frequenzen .............. .
1.1 Einführung ......................................................................................... .
1.1.1 Konzentrierte Schaltelemente (Elementarzweipole) .................. .
1.1.2 Das ideale, passive Bauelement................................................... 2
1.1.2.1 Eigenschaften des ohmschen Elementarzweipoles ......... 2
1.1.2.2 Eigenschaften des induktiven Elementarzweipoles ........ 2
1.1.2.3 Eigenschaften des kapazitiven Elementarzweipoles ...... 3
1.1.2.4 Eigenschaften idealer Stromversorgungen ..................... 3
1.1.3 Reale, passive Bauelemente ....................................................... <1
1.2 Eigenschaften realer, passiver Bauelemente ................. ....................... 4
1.2.1 Ohmsche Widerstände ................................................................ 4
1.2.1.1 Rauschen ohm scher Widerstände ................................ 4
1.2.1.2 Der Skineffekt (auch Hauteffekt genannt) ..................... 6
1.2.1.3 Ersatzschaltbilder und Eigenschaften von ohmschen
Widerständen bei hohen Frequenzen .............................. 7
1.2.2 Kondensatoren ....... ....... ............ .................................................. 8
1.2.2.1 Der ideale, kapazitive Widerstand ................................. 8
1.2.2.2 Der reale, kapazitive Widerstand (verlustbehaftet) ......... 10
1.2.2.3 Kondensatoren und ihre Einsatzbereiche ........................ 13
1.2.3 Spulen (Induktivitäten) ............................................................... 14
1.2.3.1 Der ideale, induktive Widerstand ................................... 14
1.2.3.2 Der reale, induktive Widerstand (verlustbehaftet) ........... 17
1.3 Einige Bemerkungen zur SMD-Technik .............................................. 22
1.4 Übungen ............................................................................................... 23
2 Passive Eintore (Zweipolnetzwerke) ................................................ 28
2.1 Einleitung .............. ............................................................................... 28
2.2 Einkreisige LC -Filter ......................................................................... 29
2.2.1 Der Reihenschwingkreis ............................................................. 29
2.2.1.1 Grundformein ................................................................. 29
2.2.1.2 Bestimmung der Bandbreite des Schwingkreises ............ 31
2.2.1.3 Berechnung der Spannungen an den Schaltelementen ..... 33
VIII Inhaltsverzeichnis
2.2.1.4 Anschluß von Generator und Last an den
Reihenschwingkreis ................ ............................... ........ 34
2.2.1.5 Berechnung der Pol-Nulistellenverteilung ...................... 35
2.2.2 Der Parallelschwingkreis ............................................................ 39
2.2.2.1 Grundformein ................................................................. 39
2.2.2.2 Berechnung der Ströme in den einzelnen
Schaltelementen .... ....... ......... ................ .... ...................... 42
2.2.2.3 Anschluß von Generator und Last an den
Parallelschwingkreis ...................................................... 43
2.2.2.4 Berechnung der Pol-Nullstellenverteilung ...................... 44
2.3 Zusammenfassung Schwingkreise ........................................................ 45
2.4 Übungen . ...................... .................. ........ ...... .... ....................... .... ......... 46
3 Zweitore (Vierpole) ................................................................................ 52
3.1 Vierpolparameter .................................................................................. 52
3.1.1 Hybridparameter oder h-Parameter ............................................. 53
3.1.2 Leitwertparameter oder y-Parameter ........................................... 55
3.1.3 Streuparameter oder s-Parameter ................................................ 56
3.2 Vierpolbetriebsgrößen .......................................................................... 60
3.2.1 Allgemeingültige Festlegungen .................................................. 60
3.2.2 Berechnung der Vierpolbetriebsgrößen mittels h-Parameter ...... 62
3.2.3 Berechnung der Vierpolbetriebsgrößen mittels y-Parameter ...... 63
3.2.4 Berechnung der Verstärkung mittels s-Parameter ....................... 64
3.3 Die Übertragungsfunktion ................................................................... 66
3.4 Selektive Netzwerke ............................................................................. 69
3.4.1 Tiefpässe (TP) ............................................................................. 69
3.4.1.1 TP-1. Grades, unbelastet (I Blindelement) ..................... 69
3.4.1.2 TP-2. Grades, unbelastet, nicht entkoppelt
(2 Blindelemente) ........................................................... 71
3.4.1.3 TP-2. Grades, unbelastet, entkoppelt
(2 Blindelemente) ............................................................ 75
3.4.1.4 Bestimmung der Flankensteilheit der drei Varianten ...... 76
3.4.2 Hochpässe (HP) ........................................................................... 77
3.4.2.1 HP-I. Grades, unbelastet (I Blindelement) ..................... 77
3.4.2.2 HP-2. Grades, unbelastet, entkoppelt
(2 Blindelemente) ........................................................... 79
3.4.3 Verallgemeinerung auf unbelastete, entkoppelte Filter
n. Grades .......... ............................. ................ .............................. 80
3.4.4 Bandpässe .................................................................................... 81
3.4.4.1 Der RLC-Bandpaß .......................................................... 81
3.4.4.2 Der RC-Bandpaß (Wien-Glied) ...................................... 86
3.4.5 Bandsperren ................................................................................ 87
3.4.5.1 Die RLC-Bandsperre ...................................................... 87
3.4.6 Das zweikreisige Bandfilter ........................................................ 88
Inhaltsverzeichnis IX
3.4.6.1 Ermittlung des normierten Amplituden-
Frequenzgangs ..... ................. ............... ............ ............... 88
3.4.6.2 Bestimmung der Welligkeit ............................................ 90
3.4.6.3 Bestimmung der Bandbreite als Funktion der normierten
Kopplung ...................... .... ........................... ......... ....... ... 91
3.4.6.4 Normierung der Bandbreite des Bandfilters auf die der
Einzelkreise .................... ................. .................. ............. 91
3.5 Phasenlaufzeit und Gruppenlaufzeit von Vierpolen ............................ 93
3.6 Übungen .............................................................................................. 96
4 Leitungsanpassung ................ ..... ..... ............. .............. .......... ......... ........ 102
4.1 Breitbandige Impedanzanpassung mit Widerstandsnetzwerken aus
ohmschen Widerständen ................. .............. .... .............. ........... ....... ... 102
4.1.1 Widerstandszuschaltung ............................................................. 102
4.1.2 L-G lied-Schaltungen (ZG < Zy) .. .. ............ ......................... ..... ..... 103
4.1.3 L-Glied-Schaltungen (ZG > Zy) ................................................... 104
4.1.4 T -G lied-Schaltungen ................................................................... 104
4.1.5 TC-Glied-Schaltungen .................................................................. 105
4.2 Schmalbandtransformatoren .......................... ............................... ........ 105
4.2.1 Collinsfilter ................................................................................. 105
4.2.2 Resonanztransformator anderer Bauform ................................... 106
4.3 Breitbandtransformatoren .................................................................... 107
4.3.1 50 D-Technik ............................................................................. 107
4.3.2 Übertrager ................................................................................... 107
4.3.2.1 Der Impulsübertrager ..................................................... 107
4.3.2.2 Der Ringkerntransformator ............................................ 112
4.4 Übungen ............................................................................................... 114
5 Kleinsignalverhalten von Transistoren in Emitterschaltung ..... ........ 116
5.1 NF-Anwendungen (h-Parameter) ......................................................... 116
5.1.1 Kennlinienfeld in Emitterschaltung ............................................ 117
5.1.2 Statische Grundschaltung, Aussteuerung, Leistungsbilanz ......... 121
5.1.3 Dynamisches Verhalten der Grundverstärkerstufe in
Ern itterschaltung ......................................................................... 123
5.1.4 Statische Dimensionierung bipolarer Transistoren in
Emitterschaltung ......................................................................... 127
5.1.4.1 Speisung mit Basisvorwiderstand (statische
Stromspeisung) ................................................................ 128
5.1.4.2 Speisung mit Basisspannungsteiler (statische
Spannungsspeisung) ......... ............................................ ... 129
5.1.4.3 Kopplungsvarianten für mehrstufige Verstärker ............ 130
5.1.5 Berechnung von Breitbandverstärkern mit RC-Kopplung in
X Inhaltsverzeichnis
Emitterschaltung bei Mittenfrequenz ......................................... 131
5.1.6 Berechnung des Frequenzgangs dargestellt an Emitterstufen .... 136
5.1.6.1 Frequenzverhalten einer Breitbandverstärkerstufe ganz
allgemein ........................................................................ 137
5.1.6.2 Ersatzschaltbild bei mittleren Frequenzen ...................... 139
5.1.6.3 Ersatzschaltbild bei hohen Frequenzen ........................... 140
5.1.6.4 Ersatzschaltbild bei niedrigen Frequenzen .............. ........ 141
5.2 HF-Anwendungen (y-Parameter) .......................................................... 146
5.2.1 Transistorersatzschaltbild flir Leitwertparameter ....................... 146
5.2.2 Das MiIler-Theorem und die Miller-Kapazität ............................ 148
5.2.3 Neutralisation ............................................................................. 150
5.2.4 Selektivverstärker (Schmalbandverstärker) ................................. 154
5.2.4.1 Aufgaben und Grundstruktur .......................................... 154
5.2.4.2 Allgemeingültige Vorbemerkungen zu
Selektions verstärkern ................ .......................... ..... ...... 156
5.2.4.3 Einzelkreisverstärker mit Hochpunktkopplung .............. 157
5.2.4.4 Einzelkreisverstärker mit transformatorischer
Kopplung ........................................................................ 161
5.2.4.5 Einzelkreisverstärker mit Spartransformator ................. 163
5.2.4.6 Schaltungen mit n gleichen, auf Bandmittenfrequenz
abgestimmten Resonanzverstärkern ............................... 165
5.2.4.7 Bandfilterverstärker mit zweikreisigen Bandfiltern ....... 166
5.3 Übungen ........................................................................................ 170
6 Kleinsignalverhalten von unipolaren Transistoren in
Sourceschaltung ......... ....... ..................................................................... 178
6.1 Allgemeines ... ....... .................. ................ ............................................. 178
6.2 Verstärkeranwendungen .............. ......... ................................................ 179
6.2.1 Kennlinienfelder in Sourceschaltung .......................................... 179
6.2.2 Arbeitspunkteinstellung ..................... .................................. ....... 181
6.2.3 Dynamisches Verhalten der Grundverstärkerstufe ..................... 183
6.2.3.1 Verstärkungsberechnung ................................................ 183
6.2.3.2 Einige Beispieldaten ....................................................... 185
6.2.3.3 Großsignalverhalten unipolarer Transistoren ................. 185
7 Transistoren in Basis-(Gate-), Kollektor-(Drain-) schaltung und
Kaskadenschaltung ............................................................................... 188
7.1 Umrechnungsgleichungen ................................................................... 188
7.2 Basis-und Gateschaltung ................. ............................. ......................... 190
7.3 Kollektor- und Drainschaltung .............. ........... .................................... 192
7.4 Übungen .................................................................. ............................. 197
7.5 Kaskadenverstärker .............................................................................. 204