Table Of ContentG.-H. Schildt
Grundlagen der Impulstechnik
Moeller
Leitfaden der Elektrotechnik
Herausgegeben von
Professor Dr.-Ing. Hans Fricke
Technische Universitiit Braunschweig
Professor Dr.-Ing. Heinrich Frohne
Universitiit Hannover
Professor Dr.-Ing. Karl-Heinz Locherer
Universitiit Hannover
Professor Dr.-Ing. Paul Vaske t
Band XIII Grundlagen der Impulstechnik
83
B. G. Teubner Stuttgart
Grundlagen der Impulstechnik
Von Dr.-Ing. Gerhard-Helge Schildt
o. Univ.-Professor an der
Technischen UniversWit Wien
Mit 364 Bildern, 9 Tafeln und 34 Beispielen
83
B.G. Teubner Stuttgart 1987
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Leitfaden der Elektrotechnik / Moeller. Hrsg.
von Hans Fricke ... - Stuttgart : Teubner
NE: Moeller, Franz [Begr.]; Fricke, Hans [Hrsg.]
Bd. 13. Schildt, Gerhard Helge: Grundlagen der
lmpulstechnik. - 1987
Schildt, Gerhard-Helge:
Grundlagen der lmpulstechnik / von Gerhard-Helge Schildt.
Stuttgart: Teubner, 1987.
(Leitfaden der Elektrotechnik ; Bd. 13)
ISBN-13: 978-3-519-06412-1 e-ISBN-13: 978-3-322-84861-1
001 10.1007/978-3-322-84861-1
Das Werk einschliel3lich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede
Verwertung aul3erhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne
Zustimmung des Verlages unzulassig und strafbar. Das gilt besonders fiir Ver
vielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1987
Umschlaggestaltung: M. Koch, Reutlingen
Vorwort
Die Impulstechnik spielt heute in der gesamten Elektrotechnik, insbesondere
in der Datentechnik und Automatisierungstechnik, eine bedeutende Rolle.
Kenntnisse iiber die Grundlagen impulsformiger Vorgange sowie die Fahigkeit
zur Dimensionierung impulsverarbeitender Schaltungen sind Grundvorausset
zungen fUr jeden, der auf diesem Gebiet erfolgreich tatig sein will. Das vorlie
gende Buch "Grundlagen der Impulstechnik" als Bestandteil der Lehrbuch
reihe "Leitfaden der Elektrotechnik" solI die erforderlichen Grundlagen ver
mitteln. Es wendet sich dabei sowohl an Studierende der Elektrotechnik als
auch an bereits in der Praxis tatige Ingenieure, die an impulstechnischen Auf
gabenstellungen arbeiten. Zur Bearbeitung des Stoffes werden keine besonde
ren mathematischen Kenntnisse vorausgesetzt. Wo jedoch spezielle mathemati
sche Verfahren benotigt werden, wird in die Berechnungsverfahren - soweit
zur Losung impulstechnischer Aufgabenstellungen erforderlich - eingefUhrt.
Das Buch behandelt in den Abschnitten 1 bis 3 die allgemeinen Grundlagen
der Impulstechnik, die mit Hilfe mathematischer Verfahren (Fourierreihenent
wicklung, Laplace- und Fouriertransformation) beschrieben werden. Neben ei
ner EinfUhrung in die Bedeutung und die Kenngrol3en der Impulstechnik wer
den Impulsfunktionen im Zeit- und Frequenzbereich dargestellt sowie die Im
pulsverformung durch lineare Dbertragungsnetzwerke betrachtet.
Die Abschnitte 4 bis 6 befassen sich anwendungsbezogen mit der Impulsaus
brei tung auf elektrischen Leitungen, der Abtasttechnik, verschiedenen Pulsmo
dulationsverfahren, dem Einflul3 nichtlinearer Bauelemente auf die Dbertra
gung und Verformung von Impulsen durch elektrische Netzwerke.
Der Abschnitt 7 behandelt schwerpunktmaBig Schaltungen der Impulstechnik
wie Begrenzer-, Klemm-, Komparator- und Torschaltungen, Kippstufen, Im
pulsgeneratoren und Impulszahler. Da technologisch bedingte Einzelheiten
verschiedener Schaltkreisfamilien durch die rasche Weiterentwicklung der
Halbleiter- und Digitaltechnik in immer kiirzeren Zeitabschnitten in ihrer Be
deutung veralten, wurde besonderer Wert darauf gelegt, bei einem Buch iiber
die Grundlagen der Impulstechnik ohne die Betrachtung technologisch be
dingter Besonderheiten von speziellen Schaltkreisfamilien auszukommen. Die
in den einzelnen Abschnitten dargestellten Zusammenhange werden durch die
beigegebenen Beispiele vertieft, deren Bearbeitung durch einen ausfUhrlichen
Anhang unterstiitzt wird.
VI Vorwort
Der Verfasser dankt den Herausgebero des "Leitfadens der Elektrotechnik" fur
die Aufnahme seines Buches in diese bekannte Lehrbuchreihe. Sein besonderer
Dank gilt Herro Prof. Dr.-Ing. H. Fricke fur seine intensive Betreuung und
die zahlreichen hilfreichen Ratschlage bei der Erstellung dieses Buches. Nicht
zuletzt gilt sein Dank auch dem Verlag fur das verstandnisvolle Eingehen auf
die Wunsche des Verfassers und fUr die Betreuung bei der Entstehung und
Gesamtgestaltung des Buches.
Braunschweig, im Fruhjahr 1987 Gerhard H. Schildt
Hinweise auf DIN-Normen in diesem Werk entsprechen dem Stand der Normung bei
AbschluB des Manuskriptes. MaBgebend sind die jeweils neuesten Ausgaben der Norm
Nummern des DIN Deutsches Institut fUr Normung e. V., die durch den Beuth-Verlag,
Berlin und KOln, zu beziehen sind. - SinngemaB gilt das gleiche fUr al\e in diesem Buch
angezogenen amtlichen Richtlinien, Bestimmungen, Verordnungen usw.
Inhalt
1 Bedeutung und Kenngro8en der Impulstechnik
1.1 Definition eines Impulses 2
1.2 Impulsformen 2
1.3 ImpulskenngroJ3en 4
1.3.1 Impuls ... 4
1.3.2 Impulsfolge 7
1.4 Elementare Impulsfunktionen 11
1.4.1 Sprungfunktion . 11
1.4.2 StoJ3funktion . . . . . . . 14
1.4.3 Rampenfunktion 16
1.5 StoJ3antwort-, Sprungantwort- und Anstiegsantwortfunktion fur
lineare Obertragungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17
2 Impulsfunktionen im Zeit- und Frequenzbereich
2.1 Fourierentwicklung periodischer Impulsfunktionen 19
2.1.1 Rechteckschwingung 25
2.1.2 Sagezahnschwingung . . 27
2.1.3 Pulsfolge . . . . . . . . . 28
2.1.4 Alternierende Pulsfolge 30
2.2 Fourierentwicklung nichtperiodischer Impulsfunktionen 35
2.2.1 Diracfunktion . 43
2.2.2 Sprungfunktion 44
2.2.3 Rechteckimpuls 50
2.2.4 si-Impuls . . . . 51
2.2.5 GauBimpuls .. 53
2.2.6 Endliche Anzahl von Impulsen 55
2.2.7 Bestimmung der Frequenzfunktion durch Differentiation
im Zeitbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57
VIII Inhalt
3 Impu)sverformung durch Iineare Obertragungsnetzwerke
3.1 Der Ubertragungsfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
3.2 Impulsverformung durch Systeme mit idealisierten Ubertragungs-
faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1 Idealer Tiefpaf3 ......... 67
3.2.2 Gauf3scher Ubertragungsfaktor 71
3.3 Impulsverhalten pas siver Netzwerke 75
3.3.1 Ubergang zur Laplacetransformation 75
3.3.1.1 Verschiebungssatz. 3.3.1.2 Differentiation im Zeitbe
reich. 3.3.1.3 Laplacetransformierte elementarer Impulsfunk
tionen. 3.3.1.4 Bestimmung der Systemantwortfunktion
3.3.2 Passive Netzwerke mit einem Energiespeicher ........ 83
3.3.2.1 Impulsverformung durch Tiefpaf3glieder. 3.3.2.2 Im
pulsverformung durch Hochpaf3glieder
3.3.3 Passive Netzwerke mit komplemenUiren Energiespeichern 101
3.3.3.1 Impulsverformung am Schwingkreis. 3.3.3.2 Impuls
verformung am Ubertrager
4 Impulse auf Leitungen
4.1 Grundlagen der Impulsausbreitung auf Leitungen 115
4.1.1 Leitungsgleichungen ............. . 116
4.1.2 Allgemeine L6sung der Leitungsgleichungen 117
4.1.3 Ubertragungsfunktion der Leitung 119
4.1.4 Impulseinspeisung in Leitungen 124
4.2 Angepaf3t abgeschlossene Leitungen 128
4.2.1 Verzerrungsfreie Leitung 128
4.2.2 Thomson-Leitung . . . . 131
4.2.3 Dampfungsfreie Leitung 134
4.2.4 Laufzeitleitung ..... 135
4.2.4.1 Kettenleiter. 4.2.4.2 Ubertragungsfunktion der Lauf
zeitkette. 4.2.4.3 Einheitsimpulsantwortfunktion. 4.2.4.4 Ein
heitssprungantwortfunktion. 4.2.4.5 Laufzeit. 4.2.4.6 Schal
tungsanordnungen
4.3 Nicht-angepaJ3t abgeschlossene Leitungen ............. 146
4.3.1 Mehrfachreflexionen an linearen Leitungsabschliissen . .. 155
4.3.2 Mehrfachreflexionen an nichtlinearen Leitungsabschliissen 164
InhaIt IX
5 Pulsmodulation
5.1 Abtasttechnik 169
5.1.1 Abtastwert .............. . 169
5.1.2 Periodische Folge von Abtastwerten 170
5.1.3 Modulationstragerfunktion ..... 171
5.1.4 Spektrum der Modulationstragerfunktion 172
5.1.5 Zeitfilter ....... . 173
5.1.6 Abtast- und Haltekreis 174
5.1.7 Abtastoszillographie 175
5.1.8 Abtasttheorem 177
5.2 Pulsmodulation 179
5.2.1 Pulsamplitudenmodulation 181
5.2.1.1 Pulsamplitudenmodulation 1. Art. 5.2.1.2 Pulsamplitu
denmodulation 2. Art. 5.2.1.3 Modulation. 5.2.1.4 Demodula
tion
5.2.2 Pulsdauermodulation ....................... 186
5.2.2.1 Pulsdauermodulation 1. Art. 5.2.2.2 Pulsdauermodula-
tion 2. Art. 5.2.2.3 Modulation. 5.2.2.4 Demodulation
5.2.3 Pulsphasenmodulation ...................... 194
5.2.3.1 Pulsphasenmodulation 1. Art. 5.2.3.2 Pulsphasenmo
dulation 2. Art. 5.2.3.3 Modulation. 5.2.3.4 Demodulation
5.2.4 Pulscodemodulation ....................... 198
5.2.4.1 Quantisierung. 5.2.4.2 Codierung. 5.2.4.3 Codierver
fahren
6 Einflu6 nichtIinearer Bauelemente
6.1 Dioden ............ . 206
6.1.1 Halbleiterdiode .... . 206
6.1.1.1 Ersatzschaltung der Diode fUr das Schaltverhalten.
6.1.1.2 Einschaltvorgang. 6.1.1.3 Ausschaltvorgang. 6.1.1.4
Dynamische Umschaltkennlinie
6.1.2 Schaltdioden fUr den Nanosekundenbereich ......... 220
6.1.2.1 Speicher-Schaltdiode. 6.1.2.2 Metall-Halbleiterdiode.
6.1.2.3 Tunneldiode
6.2 Bipolarer Transistor ........................... 230
6.2.1 Schaltvorgange .......................... 232
6.2.1.1 Schaltprinzipien. 6.2.1.2 Schaltvorgang bei ohmscher
Last. 6.2.1.3 Schaltvorgang bei kapazitiver Last. 6.2.1.4 Schalt
vorgang bei induktiver Last
X Inhalt
6.2.2 Schaltverhalten .......................... 238
6.2.2.1 Ersatzschaltungen. 6.2.2.2 Einschaltvorgang. 6.2.2.3
Ausschaltvorgang. 6.2.2.4 Schaltzeiten. 6.2.2.5 Verbesserung
des Schaltverhaltens
6.3 Feldeffekt-Transistor 252
6.3.1 Betriebsbereiche ....................... 255
6.3.1.1 GroB-Signal-Ersatzschaltung. 6.3.1.2 Ausgangskennli
nienfeld. 6.3.1.3 Funktionen der Kennlinienabschnitte
6.3.2 Schaltverhalten .......................... 260
6.3.2.1 Inverter mit ohmscher und kapazitiver Last. 6.3.2.2 In
verter mit FET- und Kapazitatslast. 6.3.2.3 CMOS-Inverter
7 Schaltungen der Impulstechnik
7.1 Impulsverstarker . . . . . . 278
7.1.1 Lineare Impulsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.1.1.1 Anforderungen. 7.1.1.2 RC-VersHirker in Emitterschal
tung. 7.1.1.3 Mehrstufige RC-Verstarker. 7.1.1.4 Spannungs
folger
7.1.2 Nichtlineare Impulsverstarker . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.1.2.1 Anforderungen. 7.1.2.2 Regenerative Signalverstar
kung
7.2 Begrenzer-, Klemm-, Komparator- und Torschaltungen 307
7.2.1 Begrenzerschaltungen ...................... 307
7.2.1.1 Wirkungsweise. 7.2.1.2 Schaltungen. 7.2.1.3 Anwen
dungen
7.2.2 Klemmschaltungen ........................ 318
7.2.2.1 Wirkungsweise. 7.2.2.2 Schaltungen. 7.2.2.3 Anwen
dungen
7.2.3 Amplitudenkomparatoren .................... 326
7.2.3.1 Wirkungsweise. 7.2.3.2 Schaltungen. 7.2.3.3 Anwen
dungen
7.2.4 Torschaltungen .......................... 333
7.2.4.1 Wirkungsweise. 7.2.4.2 Schaltungen. 7.2.4.3 Anwen
dungen
7.3 Kippstufen ..................... . 338
7.3.1 Bistabile Kippstufen ............ . 344
7.3.1.1 Wirkungsweise. 7.3.1.2 Schaltungen
7.3.2 Monostabile Kippstufen .......... . 356
7.3.2.1 Wirkungsweise. 7.3.2.2 Schaltungen
