Nachrichtentechnik: Band 1: Schaltungstechnik PDF
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K. Steinbuch . W. Rupprecht Nachrichtentechnik Dritte, neubearbeitete Auflage Band I: Schaltungstechnik w. von Rupprecht Mit 203 Abbildungen Springer -Verlag Berlin Heidelberg New York 1982 Dr.-Ing. Karl Steinbuch Professor i. R. an der Universität Karlsruhe (T.H.) Dr.-Ing. Werner Rupprecht Professor an der Universität Kaiserslautern CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Steinbuch, Karl: Nachrichtentechnik/K. Steinbuch, \V. Rupprecht. 3., neubearb. AufI . - Bd. 1. Schaltungs technik. Berlin, Heidelberg, N ew York: Springer 1982 NE: Rupprecht, Werner ISBN-13: 978-3-540-11342-3 e-ISBN-13: 978-3-642-87574-8 DOI: 10.1007/978-3-642-87574-8 Das Werk ist urheberrechtIich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Ab bildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des § 54, Abs.2 UrhG werden durch die "Ver wertungsgeselIsehaft Wort", München, wahrgenommen. © Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1973 und 1982 Softcover reprint of the hardcover 3rd edition 1982 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Marken schutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und von jedermann be- nutzt werden dürften. Bindearbeiten : K. Triltsch. Würz burg 2060/3020-543210 Vorwort zum Gesamtwerk Die Entwicklung der Elektrischen Nachrichtentechnik läuft seit eini gen Jahren verstärkt zur digitalen Technik. Dafür gibt es gute Gründe wie Störfestigkeit, Genauigkeit, besonders aber die Möglichkeit, nahezu beliebige Kommunikationsdienste in einheitlicher Weise zu realisie ren. Dennoch wird es aus physikalischen Gründen auch in der Nach richtentechnik stets Bereiche geben, die analoge Betrachtungsweisen erfordern. Die vorangegangenen Auflagen dieses Buchs haben bereits sowohl analoge als auch digitale Techniken behandelt. Die inzwischen ein getretene technische Entwicklung machte es jedoch notwendig, daß der größte Teil des Textes völlig neu geschrieben werden mußte. Dabei konnte aber das ursprüngliche Grundkonzept, insbesondere auch die Unterteilung des Stoffs in die drei Gebiete Schaltungstechnik (fruher als Elemente der Nachrichtentechnik bezeichnet), Nachrichten übertragung und Nachrichtenverarbeitung im wesentlichen beibehalten werden. Das ermöglichte zudem die aus Umfangs- und Kostengründen naheliegende Aufteilung in drei separat erscheinende Einzelbände. Trotz vieler Querbezüge können die Einzelbände unabhängig vonein ander gelesen werden. Die Abfassung von Band III, Nachrichtenverarbeitung, wurde freund licherweise von Herrn Professor Wendt übernommen, der darüber hinaus auch an der Überarbeitung der Detailkonzeption aller Bände maßgebenden Anteil hat. Bei der Überarbeitung war es ein wichtiges Anliegen, die grundsätzlichen Prinzipien besonders herauszustellen, welche bleibende Gültigkeit besitzen, auch wenn die Technologie sich ändert. Ferner sollte der Text einerseits wissenschaftlichen Ansprü chen genügen, andererseits aber einen einführenden Charakter haben und für den Anfänger geeignet sein. Literaturhinweise wurden mög lichst nur dort gemacht, wo eine eingehendere Darstellung den ge steckten Rahmen gesprengt hätte. Die Verfasser danken dem Springer-Verlag für die gute Zusammen arbeit und das Interesse an der sorgfältigen Herstellung der drei Bände. W. Rupprecht Vorwort zu Band I Schaltungstechnik umfaßt die Gebiete Bauelemente, Schaltungstech nologie und Methoden der Schaltungsberechnung. Alle in diesem Band gegebenen Beschreibungen von Bauelementen betreffen in der Hauptsache deren äußeres elektrisches Verhalten an den Anschluß polen. Für die Schaltungsberechnung ist allein dieses äußere Verhalten von Interesse. Auf den inneren Aufbau und die Technologie der Bau elemente wird nur am Rande eingegangen. Ganz verzichtet wurde auf die Darstellung von Schaltungstechnologien, wie die Herstellung von Leiterplatten, das Drucken von Leiterbahnen und Bauelementen auf Keramiksubstrat, die Diffusions- und Ätzvorgänge der integrier ten Halbleitertechnik usw. \Venn bei der Neuauflage der Inhalt des vorliegenden Bandes I auch nicht in gleich hohem Umfang Änderungen erfahren hat wie der Inhalt der Bände II und III, so sind doch wichtige Akzentverschiebungen und Ergänzungen zu nennen. Hinsichtlich neuer Bauelemente ist zu erwähnen, daß besonders den in den vorigen Auflagen kaum berück sichtigten Feldeffekttransistoren nun ein breiter Raum gewidmet wird. Im Vordergrund der Darstellung steht aber das Gemeinsame, das für alle Bauelemente und Schaltungen gleichermaßen wichtig ist, nämlich der Umgang mit Kennlinien und Kennlinienfeldern und die ModelIierung für den dynamischen Betrieb. Dies erforderte ein stär keres Eingehen auch auf nichtlineare und zeitvariante Zusammen hänge bei resistiven, kapazitiven und induktiven Grundkompo nenten. Eine weitere wichtige Grundlage für den praktischen Schaltungsent wurf bzw. für die Schaltungsberechnung bilden die Kenntnis von Grundschaltungen und Methoden der Schaltungsanalyse. Es werden daher Grundschaltungen nicht nur vorgestellt',-· sondern auch aus führlich analysiert, und es werden Methoden aufgezeigt, wie eine Di mensionierung für ein gewünschtes Verhalten durchgeführt wird. Auf entsprechende CAD-Programme wird allerdings nicht eingegangen. Grundschaltungen zur Realisierung logischer Operationen werden in Band III beschrieben. Herrn Dipl.-Ing. W. Maier und Herrn Dipl.-Ing. Ch. Münch dankt der Verfasser für die Hilfe beim Korrekturlesen und Herrn Prof. Dr. P. Weiß, Kaiserslautern, für Hinweise zu den Kapiteln 0 und 1. W. Rupprecht Inhaltsverzeichnis o Zusammenstellung einiger Hilfsmittel aus der theoretischen Elektrotechnik . . . . 0.1 Spannungen, Ströme . . . . . . . . . . . . . . . 0.1.1 Gleichspannung, Gleichstrom. . . . . . . . 0.1.2 Sinusförmige Wechselspannungen und -ströme 0.1.2.1 Komplexe Darstellung sinusförmiger Wechselspannungen und -ströme. . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0.1.3 Nichtsinusförmige Spannungen und Ströme . . . 2 0.1.3.2 Periodische nichtsinusförmige Spannungen, Pulse 2 0.1.3·1.1 Klirrfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0.1.3.2 Unperiodische nichtsinusförmige Spannungen, Impulse 4 0.1.3.3 Zufällige Spannungen. . . . . . 5 0.1.4 Frequenzen, komplexe Frequenzen 7 0.2 Leistung 7 0.2.1 Leistung bei Gleichstrom . . . . 8 0.2.2 Leistung bei sinusförmigem Wechselstrom 8 0.2.2.1 Komplexe Leistung ........ . 8 0.2.3 Leistung bei nichtsinusförmigen Strömen 8 0.2.4 Leistung bei zufälligen Strömen 9 0.3 Zweipolige und vierpolige Schaltelemente 10 0.3.1 Zweipolige Schaltelemente . 10 0.3.2 Vierpolige Schaltelemente 11 0.4 Analyse von Netzwerken 12 0.4.1 Kirchhoffsche Sätze. . . 12 0.4.2 Schleifen- und Knotenanalyse 12 0.4.3 Anpassung von Zweipolquellen, Reflexionsfaktor, Echomaß ... 14 0.4.3.1 Anpassung ... 14 0.4.3.2 Reflexionsfaktor 15 0.4.3.3 Echomaß 15 0.5 Lineare Vierpole . 15 0·5.1 Zusammenschaltung mehrerer Vierpole 16 0.5.2 Wellenparameter eines Vierpols 17 0.5.2.1 Anpassung von Vierpolen, Reflexionsfaktor 18 0.5·3 Betriebsparameter eines übertragungssystems 18 0·5.4 Spezielle lineare Vierpole 18 0·5.4·1 Umkehrbare und passive Vierpole 19 0.5.4.2 Symmetrische Vierpole . . . . . 19 0.6 Magnetische Gesetze: Durchflutungs- und Induktionsgesetz 20 0.7 Einiges über Größen und Einheiten. . . . . . . . . . . 20 VIII Inhaltsverzeichnis Schaltungstechnik . . . . 23 1 Schaltelemente und einfache Netzwerke 23 1.1 Allgemeine Klassifizierung elektrischer Schaltelemente 23 1.2 Resistive Schaltelemente und einfache resistive Netzwerke 24 1.2.1 Spannungs-Strom-Beziehungen zweipoliger resistiver Schaltelemente ........... . 24 1.2.2 Ohmsche Widerstände 26 1.2.3 Parasitäre nichtresistive Komponenten von \Viderständen . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.4 Berechnung einfacher zeitinvarianter resistiver Netzwerke, Beispiel Begrenzerschaltung. . . 29 1.3 Kapazitive Schalte1emente und einfache Netzwerke mit Kapazitäten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1. 3.1 Allgemeine Zustandsmodelle von Kapazitäten 33 1.3.2 Kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . 3+ 1.3.3 Parasitäre nichtkapazitive Komponenten von Kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . 36 1.3.4 Einfache Netzwerke mit Kapazitäten. . . . 37 1.3.4.1 Zusammenschaltung nichtlinearer Kapazitäten. 38 1.3.4.2 Impulsformung durch lineare zeitinvariante Re-Glieder. . 39 1.3.4.3 Einweggleichrichter mit Glättungskapazität . . . . 43 1.4 Zweipolige induktive Schaltelemente und magnetische Kreise 44 1.4.1 Allgemeine Zustandsmodelle von Induktivitäten 44 1.4.2 Spulen und technische Induktivitäten 46 1.4.2.1 Berechnung magnetischer Kreise. . . 46 1.4.2.2 Die Permeabilität . . . . . . . . . 48 1.4.2.3 Induktivität bei Kernen mit Luftspalt 49 1.4.2.4 Verluste und unerwünschte Kapazitäten von Spulen 50 1 . 5 Übertrager 53 1. 5.1 Allgemeine Übertragertheorie 53 1.5.1.1 Der verlustlose steuerfreie Übertrager. 53 1. 5.1.2 Der ideale Übertrager ....... 56 1.5.1.3 Der verlustlose Übertrager mit Streuung 57 1.5.1.4 Vierpoleigenschaften des Übertragers . . 58 1.5.2 Der Übertrager in speziellen technischen Anwendungen 60 1.5.2.1 Übertrager für relativ breite Frequenzbänder und reelle Beschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 1.5.2.2 Der Übertrager mit relativ hochohmiger oder vorwiegend kapazitiver Beschaltung .............. 64 1.5.2.3 Abschließende Bemerkungen über weitere Übertragerarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2 Lineare zeitinvariante passive Netzwerke 69 2.1 Lineare zeitinvariante passive Zweipole 69 2.1.1 Elektrische Schwingkreise. . 69 2.1.1.1 Frequenzverhalten elektrischer Schwingkreise 69 2.1.1.2 Spannungs- und Stromüberhöhungen in Schwingkreisen 72 2.1.1.3 Zeitverhalten elektrischer Schwingkreise. . . . 73 2.1.2 Eigenschaften des allgemeinen linearen Zweipols 76 2·1.3 Reaktanzzweipole . . . . . . . . . . . . . 79 Inhaltsverzeichnis IX 2.2 Duale Netzwerke. . . . . 81 2.3 Synthese einfacher Vierpole 82 2.3.1 Siebschaltungen . 82 2.3.2 Verwirklichung ausgangsseitig beschalteter Polynomfilter 84 2.3.3 Normierte Potenz- und Tschebyscheff-Tiefpässe 85 2.3.4 Berechnung von Hochpässen und Bandpässen mittels Frequenzachsentransformation . . 87 2.3.5 Berechnung von Laufzeitgliedern . 88 2.3.6 Entzerrer.......... 89 2.3.6.1 Dämpfungsentzerrung 90 2.3.6.2 Phasen- bzw. Laufzeitentzerrung 90 2.4 Theorie einfacher Bandfilter . . . . . . 93 2.4.1 Eigenschaften des induktiv gekoppelten Zweikreisbaudfilters . . . . . . . . 93 2.4.2 Diskussion der Bandfilterselektion in einfachen Fällen 96 3 Verstärker 98 3.1. Resistive nichtlineare Netzwerke mit mehrpoligen Elementen 99 3.1.1 Beschreibung resistiver Schaltelemente . . . . . . 99 3.1.2 Ergänzende Ausführungen zu wichtigen Halbleiterbauelementen . . . . . . . 104 3.1.2.1 Einige Grundlagen aus der Halbleiterphysik 104 3.1.2.2 Dioden ...... . 105 3.1.2.3 Bipolare Transistoren. . . . . . . . . . 106 3.1.2.4 Feldeffekttransistoren. . . . . . . . . . 111 3·1.3 Gleichstromanalyse resistiver nichtlinearer Netzwerke. 117 3.2 Linearisierung nichtlinearer Netzwerke im Arbeitspunkt . 122 3.2.1 Kleinsignalverhalten resistiver und dynamischer Systeme ................ . 123 3.2.2 Einkopplung und Auskopplung von Wechselsignalen 133 3.2.3 Eigenschaften der Verstärkergrundschaltungen. 136 3.3 Allgemeine Probleme des Verstärkerentwurfs ..... 141 3.3.1 Arbeitspunkteinstellung und Arbeitspunktstabilisierung 141 3.3.2 Verstärkung und Frequenzgang von Verstärkerstufen . 146 3.3.3 Obere Aussteuerungsgrenze, nichtlineare Verzerrungen 148 3.3.4 Untere Aussteuerungsgrenze, Störeinflüsse . . . . .. 149 3.3.5 Gegenkopplung.................. 152 3.3.5.1 Allgemeine Beschreibung gegengekoppelter Schaltungen 152 3.3.5.2 Berechnung einfacher GK-Schaltungen . . . . . .. 156 3.3.5.3 Stabilitätsbedingungen insbesondere bei Gegenkopplung. 160 3.4. Operationsverstärker . . 162 3.4.1 Eigenschaften des idealen Operationsverstärkers und Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern. 163 3.4.2 Statische Unvollkommenheiten des realen Operationsverstärkers ....... . 165 3.4.3 Dynamische Unvollkommenheiten des realen Operationsverstärkers ......... . 167 Literatur . . . 169 Sachverzeichnis 171 X Inhaltsverzeichnis Inhalt Band 11: Nachrichtenübertragung 4 Nachrichten Signale und Wandler 4.1 Grundbegriffe der Nachrichtentechnik 4.2 Grundzüge der Signaltheorie 4.3 Akustische Signale und elektroakustische Wandler 4.4 Optische Signale und optisch-elektrische Wandlerprinzipien 5 Leitungen und allgemeinere Übertragungssysteme 5.1 Allgemeines 5.2 Homogene Leitungen 5.3 Leitungsverbindungen 5.4 Theorie allgemeiner Übertragungssysteme 6 Basisbandübertragung analoger und digitaler Signale 6.1 t;bertragung analoger Signale 6.2 Abtasttheoren und Digitalisierung analoger Signale 6.3 Übertragung digitaler Signale 7 Frequenzversetzte Übertragung von Signalen, Modulation 7. 1 Allgemeines 7.2 Reine Amplitudenmodulation eines Sinusträgers 7.3 Amplitudenmodulation bei gleichzeitiger Winkeländerung 7.4 Beeinflussung der AM durch Verzerrungen und Störungen 7.5 Reine Winkelmodulation eines Sinusträgers 7.6 Beeinflussung von Winkelmodulation durch Verzerrung und Störungen 8 Codierungs- und Informationstheorie 8.1 Codierungstheorie 8.2 Allgemeines zur Informationstheorie 8.3 Diskrete Informationsquellen und Kanäle 8.4 Kontinuierliche Informationsquellen und Kanäle Inhalt Band 111: Nachrichtenverarbeitung 9 Daten und ihre Codierung 9.1 Allgemeine Grundlagen 9.2 Numerische Daten 9.3 Nichtnumerische Daten 10 Schaltnetze und Schaltwerke 10.1 Schaltalgebra und Schaltnetze 10.2 Schaltkreistechnik 10.3 Schaltwerke 11 Struktur digitaler nachrichtenverarbeitender Systeme 11.1 Elementare Systembausteine 11.2 Steuerkreise 11.3 Prinzip programmgesteuerter Rechensysteme
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