Schaltungstechnik - Analog und gemischt analog/digital: Entwicklungsmethodik, Funktionsschaltungen, Funktionsprimitive von Schaltkreisen

728 Pages·2014·50.54 MB·German

by  Johann Siegl

Springer-Lehrbuch
WeitereBändeindieserReihe
http://www.springer.com/series/1183
Johann Siegl•Edgar Zocher
Schaltungstechnik – Analog
und gemischt analog/digital
Entwicklungsmethodik,
Funktionsschaltungen,
Funktionsprimitive von Schaltkreisen
5., neu bearbeitete und erweiterte Auflage
MitDownload-Möglichkeitvonca.300PSpice-und
VHDL-AMS-Beispielen
JohannSiegl EdgarZocher
TechnischeHochschuleNürnberg TechnischeHochschuleNürnberg
Nürnberg Nürnberg
Deutschland Deutschland
Extrasunterhttp://extras.springer.com/2014/978-3-642-29559-1
ISSN0937-7433
ISBN978-3-642-29559-1 ISBN978-3-642-29560-7(eBook)
DOI10.1007/978-3-642-29560-7
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Vorwort
DasStoffgebietderanalogenundgemischtanalog/digitalenSchaltungstechnikistaußer-
ordentlich umfangreich. Die hier getroffene Stoffauswahl soll wichtige Grundlagen zum
Verständnis analoger und gemischt analog/digitaler Schaltkreise vermitteln. Fundierte
Kenntnisse der Schaltungstechnik auf Transistorebene bilden eine unverzichtbare Basis
fürdieEntwicklungvonElektroniksystemen.TrotzfortschreitenderDigitalisierungistdas
Thema„AnalogeSchaltungstechnik“fürElektronikentwicklerhochaktuell.
Der Inhalt zu den Grundlagen der analogen und gemischt analog/digitalen Schal-
tungstechnikgliedertsichindieHauptsäulen:Entwicklungsmethodik,Verstärkertechnik,
FunktionsprimitiveundFunktionsschaltungenvonSchaltkreisen.Funktionsprimitivesind
dieBausteinevonSchaltungen.ErkenntmanundkenntmandieEigenschaftenderFunk-
tionsprimitiveeinerkomplexerenSchaltung,soerschließtmansichsehrvielleichterderen
Funktionsweise. DiefunktionsorientierteVorgehensweisewirdauchvielfachmit„ Func-
tional Design“ gekennzeichnet. Die Einführung in die Entwicklungsmethodik beinhaltet
aucheineEinführunginrechnergestützteEntwurfsverfahrenzurDesignbeschreibungund
zur Designverifikation. Mit Orcad-Lite/PSpice („Download“) steht dem Anwender ein
gängiges„Toolset“fürdieDesignbeschreibungunddieDesignverifikationzurVerfügung,
mit dem alle wesentlichen Funktionen nach heutigem Stand der Technik dargestellt und
verifiziertwerdenkönnen.FürnahezuallebehandeltenSchaltungenstehteingebrauchs-
fertiges„Experiment“zurVerfügung.AmExperimentlassensichmitdemSimulatorwie
ineinemvirtuellenLabordieEigenschafteneinerSchaltung„messen“.NebenderEinfüh-
runginPSpiceerfolgteineEinführungindieHardwarebeschreibungsspracheVHDL-AMS.
BeispielevonModellbeschreibungenundTestbenchbeschreibungenwichtigerFunktions-
primitive und Funktionsschaltkreise erläutern die Anwendung von VHDL-AMS (siehe
„Download“)1.
Nach einer Einführung in die Entwicklungsmethodik von Elektroniksystemen stehen
im Vordergrund die Probleme der „inneren“ Schaltungstechnik von wichtigen Funk-
tionsbausteinen für Elektroniksysteme und deren Zusammenschaltung zu komplexeren
Funktionseinheiten.NaturgemäßistdieVerstärkertechnikmitdiewichtigsteAnalogfunk-
tion,gehtesdochdarum,schwacheundverrauschteSignalegeeignetaufzubereiten,umsie
1„Download“:http://extras.springer.com/2014/978-3-642-29559-1.
V
VI Vorwort
dannder„digitalenWelt“wiederzuführenzukönnen.Gefördertwerdensolldas„Denken“
ineinfachenModellenundMakromodellen,umsicheinSchaltungsverhaltendurcheigenes
AbschätzenmitvereinfachtenModellenerschließenzukönnen.
Voraussetzung für erfolgreiches selbständiges Entwickeln ist das Abschätzen der sta-
tischen Eigenschaften und des dynamischen Verhaltens im Frequenz- und Zeitbereich,
sowie der Schnittstelleneigenschaften von Schaltungen. Die Auswahl einer Schaltung
zur Lösung einer praktischen Aufgabenstellung erfolgt immer auf Basis von geeigneten
FunktionsprimitivenundFunktionsschaltkreisen,umbestimmtevorgegebenecharakteri-
stischeEigenschaftenzuerfüllen.KönnenmiteinerausgewähltenSchaltungvorgegebene
Eigenschaftennichtrealisiertwerden,somussaufalternativeSchaltungskonzeptezurück-
gegriffen werden. An zahlreichen Praxisbeispielen wird die Zerlegung einer Schaltung in
FunktionsprimitiveunddieErmittlungderEigenschafteneinerSchaltungdurchAbschätz-
analyseauf derBasisvereinfachterModellegeübt.DieExperimenteundeinreichhaltiges
ÜbungsprogrammzuallenHauptkapitelnbietendieMöglichkeitzurVertiefungdesLehr-
stoffs. Experiment-Workspaces, Übungen und ausführlich ausgearbeitete Lösungen sind
über „Download“ erhältlich. Sämtliche über „Download“ verfügbaren „Experimente“
sindunmittelbarmitderDemo-VersiondesSchaltkreissimulatorsOrcad-Lite/PSpiceaus-
führbar. Damit kann der Anwender in über 250 vorbereiteten Experimenten eigene
vertiefende Erfahrungen im Umgang mit einer genaueren Schaltungsanalyse zur Bestä-
tigungderAbschätzungenfürdieErmittlungvonSchaltungseigenschaftensammeln.Um
dasselbständigeExperimentierenaufBasisdervorbereitetenBeispielezuerleichtern,wird
in die Handhabung und Funktionalität der Schaltkreissimulation mit Orcad-Lite/PSpice
eingeführt(funktionsorientierteBeschreibungsiehe„Download“).
Wegen des umfangreichen Stoffgebietes werden bewusst textuelle Erläuterungen so
knapp wie möglich gehalten, zugunsten der Darstellung von Sachverhalten anhand von
ErgebnissenanbegleitendenExperimenten.DankgiltdemVerlagfürdiezuteilgewordene
UnterstützungundKooperationsbereitschaft.
Altdorf,imSommer2003 JohannSiegl
Inder3.und4.AuflagewurdendieKapitelneugeordnetunderweitert,soz.B.dieModel-
lierung von Halbleiterbauelementen, dieAbschätzanalyse. Insgesamt werden noch mehr
praktische Testschaltungen angeboten. Neu ist u. a. ein Abschnitt über Funkempfänger,
sowieüberPipelineWandlerund(cid:2)Σ-Wandler. DieVHDL-AMSBeispielesindauchfür
dieneuereSystemVisionVersionverfügbar.
Altdorf,imSommer2010 JohannSiegl
Vorwort VII
Neuinder5. AuflageisteinKapitelzurSchaltungsintegration. DerLesersollinGrund-
begriffe, in dieVorgehensweise, in physikalische Grundlagen und in Besonderheiten des
EntwurfsintegrierterSchaltungen(FullCustomICDesign)eingeführtwerden.Esgehtdar-
um, diefachlichenGrundlagenfürIC-Designsoweitzubeherrschen, ummitIC-Design
Expertenkommunizierenzukönnen.
Nürnberg,imSommer2012 JohannSiegl,EdgarZocher
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung........................................................... 1
1.1 MotivationfürdieanalogeSchaltungstechnik ......................... 1
1.2 WichtigeGrundbegriffe............................................ 3
2 Entwicklungs-undAnalysemethodik .................................... 9
2.1 MethodikzurElektroniksystementwicklung........................... 9
2.1.1 ProzessablaufbeiderElektroniksystementwicklung.............. 10
2.1.2 BeispielefürAnwendungenderanalogenSchaltungstechnik ...... 15
2.1.3 TechnologienzurRealisierungvonSchaltungen................. 18
2.1.4 StrukturierungderSchaltungstechnik ......................... 20
2.1.5 ProzessablaufbeiderSchaltungsentwicklung ................... 25
2.2 SchaltungsanalysemitPSpice ....................................... 28
2.2.1 ProzessablaufbeiderSchaltkreissimulation..................... 29
2.2.2 BeschreibungundAnalyseeinerTestanordnung................. 34
2.2.3 DC/AC/TR-AnalysedargestelltaneinerBeispielschaltung ........ 44
2.3 Abschätzanalyse................................................... 56
2.3.1 ZurSystematikbeiderAbschätzanalyse ........................ 56
2.3.2 Frequenzbereichsanalyse–Bodediagramm ..................... 60
2.4 Wärmeflussanalyse ................................................ 71
2.5 DieHardwarebeschreibungsspracheVHDL-AMS ...................... 76
3 ModellevonHalbleiterbauelementen .................................... 93
3.1 ModellbeschreibungenvonDioden .................................. 93
3.1.1 ModellbeschreibungeneinerDiodefürdieSchaltkreissimulation .. 93
3.1.2 VereinfachteModellefürdieAbschätzanalyse ................... 102
3.1.3 ModellbeschreibungeinerDiodeinVHDL-AMS................ 104
3.2 GrundlagendesRauschens ......................................... 105
3.2.1 ZurBeschreibungvonRauschgrößen.......................... 105
3.2.2 ModellierungvonRauschquellen ............................. 108
IX
X Inhaltsverzeichnis
3.3 ModellbeschreibungenfürBipolartransistoren ........................ 112
3.3.1 WichtigeKennlinieneinesBipolartransistors ................... 112
3.3.2 PhysikalischerAufbauundGrundmodell....................... 117
3.3.3 DC-ModellvariantenfürdieAbschätzanalyse ................... 125
3.3.4 AC-ModellvariantenfürdieAbschätzanalyse ................... 127
3.3.5 RauscheneinesBJT-Verstärkers............................... 129
3.3.6 Gummel-PoonModell ...................................... 132
3.3.7 VerhaltensmodellinVHDL-AMS ............................. 137
3.4 ModellbeschreibungenvonFeldeffekttransistoren...................... 140
3.4.1 Aufbau,EigenschaftenundKennlinienvonSperrschicht-FETs..... 140
3.4.2 AC-ModellundRauschenvonSperrschicht-FETs ............... 145
3.4.3 Aufbau,EigenschaftenundKennlinienvonIsolierschicht-FETs .... 147
3.4.4 GrundmodelleinesIsolierschicht-FETs ........................ 151
3.4.5 AC-ModellundRauschenvonIsolierschicht-FETs............... 152
3.4.6 MOSFET-Level-iModelle.................................... 153
3.4.7 VerhaltensmodellinVHDL-AMS ............................. 155
4 GrundlegendeFunktionsprimitive ...................................... 159
4.1 PassiveFunktionsgrundschaltungen ................................. 159
4.1.1 FunktionsgrundschaltungenmitSpannungsteilern .............. 159
4.1.2 Übertrager ................................................ 163
4.1.3 RC-Resonator.............................................. 165
4.1.4 LC-Resonatoren............................................ 166
4.1.5 AngepassterTiefpass/Hochpass ............................... 172
4.2 FunktionsgrundschaltungenmitDioden ............................. 173
4.2.1 GleichrichterschaltungenundSpannungsvervielfacher ........... 174
4.2.2 AnwendungenderDiodealsSpannungsquelle .................. 181
4.2.3 Signaldetektorschaltungen ................................... 182
4.2.4 Begrenzer-,Klemm-undSchutzschaltungen.................... 190
4.2.5 WirkprinzipvonSchaltnetzteilen ............................. 194
5 LinearverstärkerundOperationsverstärker .............................. 199
5.1 EigenschaftenvonLinearverstärkern–Makromodelle .................. 199
5.1.1 GrundmodelleinesLinearverstärkers.......................... 199
5.1.2 Schnittstellenverhalten ...................................... 205
5.1.3 AussteuergrenzeneinesLinearverstärkers ...................... 207
5.1.4 RauschenvonVerstärkern ................................... 210
5.2 RückgekoppelteLinearverstärker .................................... 216
5.2.1 RückkopplungallgemeinundSchwingbedingung ............... 216
5.2.2 FrequenzgangdesrückgekoppeltenSystems .................... 221
5.2.3 SeriengegengekoppelteLVmitgesteuerterSpannungsquelle....... 224
5.2.4 SeriengegengekoppelteLVmitgesteuerterStromquelle........... 226
Inhaltsverzeichnis XI
5.2.5 ParallelgegengekoppelteLVmitgesteuerterSpannungsquelle...... 228
5.2.6 ParallelgegengekoppelteLVmitgesteuerterStromquelle.......... 232
5.3 StabilitätundFrequenzgangkorrekturvonLV ......................... 234
5.3.1 AnalysederSchleifenverstärkung ............................. 234
5.3.2 FrequenzgangkorrekturdesGeradeausverstärkers ............... 236
5.3.3 FrequenzgangkorrekturamRückkopplungsnetzwerk ............ 240
5.4 Operationsverstärker .............................................. 246
5.4.1 ErweiterungdesMakromodells............................... 246
5.4.2 GleichtaktunterdrückungundAussteuergrenzenvonOPs ........ 253
5.4.3 EinflüssederDC-ParameteraufdieAusgangsoffsetspannung ..... 257
5.4.4 RauschenvonOP-Verstärkern................................ 260
5.4.5 Slew-RateVerhalteneinesOP-Verstärkers ...................... 261
5.5 OP-Verstärkeranwendungen ........................................ 265
5.5.1 Instrumentenverstärker ..................................... 265
5.5.2 Sensorverstärker............................................ 265
5.5.3 Treppengenerator .......................................... 267
5.5.4 Kompressor/Expander-Verstärker............................. 268
5.5.5 AktiveSignaldetektoren ..................................... 269
5.5.6 TachometerschaltungzuranalogenFrequenzbestimmung ........ 271
5.5.7 AnalogeFilterschaltungen ................................... 272
5.5.8 VirtuelleInduktivität........................................ 274
5.5.9 Schmitt-Trigger ............................................ 276
5.5.10 AstabilerMultivibrator ...................................... 278
5.5.11 Negative-Impedance-Converter............................... 279
6 FunktionsgrundschaltungenmitBJTs ................................... 281
6.1 VorgehensweisebeiderAbschätzanalyse .............................. 281
6.1.1 VorgehensweisebeiderDC-Analyse ........................... 281
6.1.2 VorgehensweisebeiderAC-Analyse ........................... 282
6.1.3 SeriengegengekoppelterTransistor ............................ 284
6.1.4 ParallelgegengekoppelterTransistor ........................... 286
6.2 ArbeitspunkteinstellungundStabilität ............................... 288
6.2.1 SchaltungsvariantenzurArbeitspunkteinstellung................ 288
6.2.2 ArbeitspunktbestimmungundArbeitspunktstabilität ............ 294
6.3 WichtigeFunktionsprimitivemitBJTs................................ 302
6.3.1 RC-VerstärkerinEmittergrundschaltung....................... 302
6.3.2 RC-VerstärkerinBasisgrundschaltung......................... 310
6.3.3 Emitterfolger .............................................. 315
6.3.4 DerBipolartransistoralsSpannungsquelle ..................... 320
6.3.5 DerBipolartransistoralsStromquelle.......................... 322
6.3.6 Darlingtonstufen ........................................... 324
6.3.7 Kaskode-Schaltung ......................................... 328
6.3.8 VerstärkermitStromquellealsLast............................ 330