Schaltungstechnik — Analog und gemischt analog/digital: Entwicklungsmethodik, Verstärkertechnik, Funktionsprimitive von Schaltkreisen

629 Pages·2004·30.2 MB·German

by  Prof. Dr. Johann Siegl (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
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Engineering
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Johann Siegl
Schaltungstechnik -
Analog und gemischt
analog/digital
Entwicklungsmethodik, Verstarkertechnik,
Funktionsprimitive von Schaltkreisen
Mit 787 Abbildungen
t
Springer
Prof. Dr. JOHANN SIEGL
Hackenrichtstr. 21
90518 Altdorf
e-mail: [email protected]
ISBN 978-3-540-44230-1 ISBN 978-3-662-09805-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-09805-9
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2004
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2004
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Satz: Gelieferte Daten des Autors
Einbandgestaltung: design & production, Heidelberg
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Vorwort
Das Stoffgebiet der analogen und gemischt analogldigitalen Schaltungstechnik ist
auBerordentlich umfangreich. Die hier getroffene Stoffauswahl sol1 wichtige
Grundlagen zum Verstandnis analoger und gemischt analogldigitaler Schaltkreise
vermitteln. Fundierte Kenntnisse der Schaltungstechnik auf Transistorebene bilden
eine unverzichtbare Basis fiir die Entwicklung von Elektroniksystemen. Unlangst
betitelte eine namhafte Fachzeitschrift einen Beitrag mit "Renaissance der Analog
Technik -Analog in einer digitalen Welt, Herausforderungen und Chancen". Diese
Schlagzeile steht beispielhaft dafiir, dass trotz der fortschreitenden Digitalisierung
das Thema "Analoge Schaltungstechnik" fiir Elektroniksystementwickler hoch
aktuell ist.
Der Inhalt zu den Grundlagen der analogen und gemischt analog/digitalen
Schaltungstechnik gliedert sich in die Hauptsaulen: Entwicklungsmethodik, Ver
starkertechnik, Funktionsprimitive und Funktionsschaltungen von aktiven Schalt
kreisen. Funktionsprimitive sind die Bausteine von Schaltungen. Erkennt man und
kennt man die Eigenschaften der Funktionsprimitive einer komplexeren Schaltung,
so erschlieBt man sich sehr vielleichter deren Funktionsweise. Die funktionsorien
tierte Vorgehensweise wird auch vielfach mit "Functional Design" gekennzeichnet.
Die Einfiihrung in die Entwicklungsmethodik beinhaltet auch eine Einfiihrung in
rechnergestUtzte Entwurfsverfahren zur Designbeschreibung und zur Designverifi
kation. Mit Orcad-Lite/PSpice (CD-Rom) steht dem Anwender ein gangiges "Tool
set" fiir die Designbeschreibung und die Designverifikation zur Verfiigung, mit
dem aIle wesentlichen Funktionen nach heutigem Stand der Technik dargestellt
und verifiziert werden konnen. Neben der Einfiihrung in die Beschreibung und
Verifikation von analogen und gemischt analog/digitalen Schaltungen mit PSpice
erfolgt eine Einfiihrung in die Hardwarebeschreibungssprache VHDL-AMS. Bei
spiele von Modellbeschreibungen und Testbenchbeschreibungen wichtiger Funkti
onsprimitive und Funktionsschaltkreise erlautem die Anwendung von VHDL
AMS. Die VHDL-AMS Beispiele sind ebenfalls auf der CD-Rom a,bgelegt.
Nach einer Einfiihrung in die Entwicklungsmethodik von Elektroniksystemen
stehen im Vordergrund die Probleme der "inneren" Schaltungstechnik von wichti
gen Funktionsbausteinen fiir Elektroniksysteme und deren Zusammenschaltung zu
komplexeren Funktionseinheiten. NaturgemaB ist die Verstarkertechnik mit die
wichtigste Analogfunktion, geht es doch darum, schwache und verrauschte Signale
geeignet aufzubereiten, urn sie dann der "digitalen Welt" wieder zufiihren zu kon
nen. Gefdrdert werden sol1 das "Denken" in einfachen Modellen und Makromodel
len, urn sich ein Schaltungsverhalten durch eigenes Abschatzen erschlieBen zu
konnen.
VI Vorwort
Voraussetzung fUr erfolgreiches selbstandiges Entwickeln ist das Abschatzen
der statischen Eigenschaften und des dynamischen Verhaltens im Frequenz- und
Zeitbereich, sowie der Schnittstelleneigenschaften von Schaltungen. Die Auswahl
einer Schaltung zur Losung einer praktischen Aufgabenstellung erfolgt immer auf
Basis von geeigneten Funktionsprimitiven und Funktionsschaltkreisen, um
bestimmte vorgegebene charakteristische Eigenschaften zu erfUlIen. Konnen mit
einer ausgewiihlten Schaltung vorgegebene Eigenschaften nicht realisiert werden,
so muss auf alternative Schaltungskonzepte zurtickgegriffen werden. An zahlrei
chen Praxisbeispielen wird die Zerlegung einer Schaltung in Funktionsprimitive
und die Ermittiung der Eigenschaften einer Schaltung durch Abschatzanalyse auf
der Basis vereinfachter Modelle getibt. Ein reichhaltiges Obungsprogramm zu
allen Hauptkapiteln bietet die Moglichkeit der Vertiefung des Lehrstoffs. AusfUhr
lich ausgearbeitete Losungen zu den Obungen finden sich auf der CD-Rom. Samt
liche Beispiele sind als Experimente auf der begleitenden CD-Rom verfUgbar und
so aufbereitet, dass sie unmittelbar mit der Demo-Version des Schaltkreissimula
tors Orcad-Lite/PSpice verifiziert werden konnen. Damit kann der Anwender in
tiber 250 vorbereiteten Experimenten eigene vertiefende Erfahrungen im Umgang
mit einer genaueren Schaltungsanalyse zur Bestatigung der Abschatzungen fUr die
Ermittlung von Schaltungseigenschaften sammeln.
Wegen des umfangreichen Stoffgebietes werden bewuBt textuelle Erlauterungen
so knapp wie moglich gehalten, zugunsten der Darstellung von Sachverhalten
anhand von Ergebnissen an begleitenden Experimenten. Urn das selbstandige
Experimentieren auf Basis der vorbereiteten Beispiele zu erleichtern, wird in die
Handhabung und Funktionalitat der Schaltkreissimulation mit Orcad-Lite/PSpice
eingefuhrt. Die funktionsorientierte Beschreibung (auf der CD-Rom) soli das allge
meine Verstandnis fUr rechnergestUtzte Entwurfsverfahren fOrdern.
Dank gilt dem Verlag fur die zuteilgewordene UnterstUtzung und Kooperations
bereitschaft. Ein besonderer Dank richtet sich an meinen Kollegen, Herro Prof. Dr.
Hubert Karl, fUr die Korrekturlesung und fUr wertvolle Hinweise bzw. Anregun
gen, sowie an meine Kollegen Prof. Dr. Thomas Lauterbach und Prof. Dr. Edgar
Zocher fUr die kritische Durchsicht von Kap. 2. Mein Sohn Christian unterstiitzte
mich dankenswerterweise bei der elektronischen Aufbereitung des Manuskripts.
Nicht zuletzt mochte ich aber auch meiner Familie danken, fur die mit Geduld und
Rticksicht ertragene "Abwesenheit" wiihrend der Manuskripterstellung.
Altdorf, im Sommer 2003 Johann Siegl
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung ......................................... 1
1.1 Motivation fiir die analoge Schaltungstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1
1.2 Wichtige Grundbegriffe . . • . . • • . . . • . . . . . . . . • • . . . • . . . • . . . • . . . . .. 3
2 Entwicklungs- und Analysemethodik ....•............... 9
2.1 Methodik zur Elektroniksystementwicklung .........•..••....... , 9
2.1.1 Prozessablauf bei der Elektroniksystementwicklung . . . . . . . . . . . . . . . .. 9
2.1.2 Beispiele flir Anwendungen der analogen Schaltungstechnik . . . . . . . .. 15
2.1.3 Realisierungsmoglichkeiten von Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
2.1.4 Strukturierung der Schaltungstechnik ............................ 21
2.1.5 Prozessablaufbei der Schaltungsentwicklung ..................... 32
2.1.6 Prozessablaufbei der Schaltkreissimulation ....................... 36
2.2 Vorgehensweise bei der Schaltungsanalyse. • . • . . . • . . . • • . . . • . . . . .. 42
2.2.1 Beschreibung und Analyse einer Testanordnung ................... 42
2.2.2 Die Hardwarebeschreibungssprache VHDL-AMS .................. 53
2.2.3 Modellbeschreibungen einer Diode .............................. 68
2.2.4 DC/AC/TR-Analysed argestellt an einer Beispielschaltung ........... 80
2.2.5 Analyse einer nichtlinearen Schaltung im Arbeitspunkt .............. 91
2.2.6 Detektorschaltung mit Arbeitspunkteinstellung .................... 95
2.2.7 Frequenzbereichsanalyse -Bodediagramm ........................ 97
2.3 Warmeflussanalyse ......•...•....................••..••.... 110
3 Grundlegende Funktionsprimitive .................... 117
3.1 Passive Funktionsgrundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . • . .. 117
3.1.1 Passiver Integrator und Differenziator .......................... 117
3.1.2 Kapazitiver Spannungsteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 119
3.1.3 Frequenzkompensierter Spannungsteiler ........................ 120
3.1.4 Ubertrager ................................................ 123
3.1.5 RC-Resonator ............................................. 124
3.1.6 LC-Resonatoren ............................................ 126
3.1.7 Angepasster TiefpasslHochpass ............................... 132
3.2 Funktionsgrundschaltungen mit Dioden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . .. 134
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2.1 Gleichrichterschaltungen und Spannungsvervielfacher ............. 134
3.2.2 Anwendungen der Diode als Spannungsquelle .................... 142
3.2.3 Signaldetektorschaltungen .................................... 143
3.2.4 Begrenzer-, Klemm- und Schutzschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 152
3.2.5 Wirkprinzip von Schaltnetzteilen .............................. 156
4 Linearverstarker ................................... 161
4.1 Eigenschaften von Linearverstarkern und Makromodelle ......... 161
4.1.1 Grundmodell eines Linearverstiirkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 161
4.1.2 Schnittstellenverhalten...................................... 168
4.1.3 Aussteuergrenzen eines Linearverstiirkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 170
4.1.4 Rauschen................................................. 173
4.2 RiickgekoppeJte Linearverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 187
4.2.1 Ruckkopplung allgemein und Schwingbedingung . . . . . . . . . . . . . . . .. 188
4.2.2 Frequenzgang des ruckgekoppelten Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 194
4.2.3 Seriengegengekoppelte LV mit gesteuerter Spannungsquelle . . . . . . .. 197
4.2.4 Seriengegengekoppelte LV mit gesteuerter Stromquelle . . . . . . . . . . .. 199
4.2.5 Parallelgegengekoppelte LV mit gesteuerter Spannungsquelle ....... 202
4.2.6 Parallelgegengekoppelte LV mit gesteuerter Stromquelle . . . . . . . . . .. 206
4.3 Stabilitat und Frequenzgangkorrektur von LV .................. 208
4.3.1 Analyse der Schleifenverstiirkung .............................. 209
4.3.2 Frequenzgangkorrektur des Geradeausverstiirkers ................. 210
4.3.3 Frequenzgangkorrektur am Ruckkopplungsnetzwerk ............... 216
4.4 Operationsverstarker ....................................... 223
4.4.1 Erweiterung des Makromodells ................................ 223
4.4.2 Gleichtaktunterdruckung und Aussteuergrenzen von OPs ........... 229
4.4.3 Einflusse der DC-Parameter auf die Ausgangsoffsetspannung ........ 233
4.4.4 Rauschen von OP-Verstiirkem ................................ 236
4.4.5 Slew-Rate Verhalten eines OP-Verstiirkers ...................... 238
4.5 OP-Verstarkeranwendungen ................................. 242
4.5.1 Instrumentenverstiirker ...................................... 242
4.5.2 Sensorverstiirker ........................................... 243
4.5.3 Treppengenerator. .......................................... 244
4.5.4 Kompressor/Expander-Verstiirker. ............................. 245
4.5.5 Aktive Signaldetektoren ..................................... 247
4.5.6 Tachometerschaltung zur analogen Frequenzbestimmung ........... 248
4.5.7 Analoge Filterschaltungen .................................... 249
4.5.8 Virtuelle Induktivitiit ........................................ 253
4.5.9 Schmitt-Trigger ............................................ 255
Inhaltsverzeichnis IX
4.5.10 Astabiler Multivibrator ...................................... 256
5 Funktionsschaltungen mit Bipolartransistoren .......... 259
5.1 Eigenschaften und Kennlinien von Bip.-Transistoren .••..•••..... 259
5.1.1 Wichtige Kennlinien eines Bipolartransistors ..................... 259
5.1.2 Physikalischer Aufbau und Grundmodell ........................ 264
5.1.3 DC-Modellvarianten ........................................ 271
5.1.4 AC-Modellvarianten ........................................ 274
5.1.5 Rauschen eines BJT-Verstiirkers ............................... 277
5.1.6 Simulationsmodell in VHDL-AMS ............................. 278
5.1. 7 Seriengegengekoppelter Transistor. ............................ 282
5.1.8 Parallelgegengekoppelter Transistor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 285
5.2 Arbeitspunkteinstellung und Stabilitiit . . . • . . . . . • • . . . . . . . . . . • • .. 286
5.2.1 Schaltungsvarianten zur Arbeitspunkteinstellung .................. 287
5.2.2 Arbeitspunktbestimmung und Arbeitspunktstabilitat ............... 293
5.3 Wichtige Funktionsprimitive mit BJTs. • • . . . . . . . . . • • . . . • . . • . . .. 301
5.3.1 RC-Versmrker in Emittergrundschaltung ........................ 301
5.3.2 RC-Verstiirker in Basisgrundschaltung .......................... 310
5.3.3 Emitterfolger .............................................. 316
5.3.4 Der Bipolartransistor als Spannungsquelle ....................... 320
5.3.5 Der Bipolartransistor als Stromquelle ........................... 322
5.3.6 Darlingtonstufen ........................................... 325
5.3.7 Kaskode-Schaltung ......................................... 330
5.3.8 Verstarker mit Stromquelle als Last ............................ 333
5.4 Schalteranwendungen des Bipolartransistors. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 336
5.4.1 Querschalter. .............................................. 336
5.4.2 Liingsschalter .............................................. 342
5.5 Beispiele von Funktionsschaltungen . . . • . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . .. 346
5.5.1 Logarithmischer V erstarker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 346
5.5.2 Optischer Empfanger ........................................ 348
5.5.3 AM/FM-modulierbarer Oszillator. ............................. 350
6 Funktionsschaltungen mit FETs ...................... 359
6.1 Eigenschaften von Feldeffekttransistoren. . . . • • . . . . . . • . . . . . . . . .. 359
6.1.1 Eigenschaften von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren ............. 360
6.1.2 Eigenschaften von Isolierschicht-Feldeffekttransistoren .. . . . . . . . . .. 368
6.2 Arbeitspunkteinstellung und Arbeitspunktstabilitiit ...•.......... 377
6.3 Anwendungsschaltungen mit Feldeffekttransistoren .............. 386
6.3.1 Verstarkerschaltungen mit Feldeffekttransistoren .................. 386
6.3.2 Anwendung des Linearbetriebs von Feldeffekttransistoren .......... 399
x Inhaltsverzeichnis
6.4 Digitale Anwendungsschaltungen mit MOSFETs ................ 403
6.4.1 NMOS-Inverter ............................................ 403
6.4.2 CMOS-Inverter ............................................ 413
6.4.3 Schalter-Kondensator-Technik ................................ 423
6.5 Beispiele von Funktionsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 428
6.5.1 Spannungsgesteuerter Oszillator ............................... 428
6.5.2 Phasenvergleicher .......................................... 430
6.5.3 Induktiver Abstandssensor ................................... 433
7 Gemischte Funktionsprimitive und Funktionsschaltungen 437
7.1 Differenzstufen ............................................. 437
7.l.l Emittergekoppelte Differenzstufen ............................. 437
7.1.2 Basisgekoppelte Differenzstufen ............................... 451
7.1.3 Differenzstufen in Kaskodeschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 463
7.1.4 Differenzstufen mit F eldeffekttransistoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
7.2 Konstantstrom- und Konstantspannungsquellen ................. 471
7.2.1 Konstantstromquellen ....................................... 471
7.2.2 Konstantspannungsquellen ................................... 478
7.3 SchaItungsbeispiele zur Potenzialverschiebung .................. 481
7.4 Schaltungsbeispiele fiir Treiberstufen .......................... 484
7.4.1 Treiberstufen im A-Betrieb ................................... 485
7.4.2 Komplementare Emitterfolger im AB-Betrieb .................... 497
7.5 Beispiele von FunktionsschaItungen ........................... 503
7.5.1 Zweistufiger Linearverstarker mit BJTs ......................... 503
7.5.2 Regelverstarker mit BJTs .................................... 510
7.5.3 Doppelgegentakt-Mischer .................................... 513
7.6 PLL-SchaItkreis ............................................ 515
7.6.1 Aufbau und Wirkungsprinzip ................................. 516
7.6.2 Funktionsbausteine einer PLL. ................................ 518
7.6.3 Systemverhalten ........................................... 524
7.6.4 Anwendungen ............................................. 529
8 Analog/Digitale Schnittstelle ......................... 533
8.1 Zur Charakterisierung einer Logikfunktion .................... 533
8.1.1 Modellbeschreibung einer Logikfunktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 534
8.1.2 Ereignissteuerung.......................................... 541
8.1.3 Entsprechungen zwischen Schematic-und VHDL-Beschreibung ..... 545
8.2 Digital/Analog Wandlung .................................... 545
8.3 AbtasthalteschaItungen.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 550