Integrierte Hochfrequenzschaltkreise: Grundlagen des computergestützten Entwurfs

246 Pages·2013·3.598 MB·German

by  Andreas Thiede (auth.)

Integrierte Hochfrequenzschaltkreise
Andreas Thiede
Integrierte
Hochfrequenzschaltkreise
Grundlagen des
computergestützten Entwurfs
Mit 173 Abbildungen
Prof. Dr.-Ing. Andreas Th iede
Universität Paderborn
Deutschland
ISBN 978-3-8348-1246-9 ISBN 978-3-8348-2076-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-2076-1
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V
Vorwort
Das vorliegende Lehrbuch basiert in wesentlichen Teilen auf zwei Vorlesungen, die bereits
über mehr als zehn Jahre an der Universität Paderborn gehalten wurden. Vielfaches Interesse
an den Skripten wurde jedoch auch und insbesondere von externen Lesern geäußert. Der
Wunsch, diesem Interesse zu entsprechen und den Stoff einem breiteren Publikum in
angemessener Form zur Verfügung zu stellen, gab den Anstoß zu diesem Projekt, für das
dankenswerterweise der Springer-Vieweg-Verlag gewonnen werden konnte.
Das 1. Kapitel widmet sich zunächst der Ausbreitung von Signalen auf Leitungen,
insbesondere im Hinblick auf integrierte Schaltungen und Leiterplatten. Die gewählte
Darstellung lässt unschwer die Systematik von Vielhauer erkennen, dessen Vorlesung ich
selbst vor nahezu 30 Jahren an der Technischen Universität Dresden hören durfte. Ausgehend
von der Leitungsgleichung und deren Lösung für verschiedene Randbedingungen werden
Schaltvorgänge und stationäre Schwingungen betrachtet, das Leitungsdiagramm eingeführt
und für den Entwurf von Leitungsschaltungen, insbesondere Anpassnetzwerken eingesetzt. Im
2. Kapitel werden Grundlagen der n-Tor-Theorie dargestellt, die Streuparameter eingeführt
und für die Klassifizierung von n-Toren genutzt. Abschließend werden die wichtigsten
Definitionen für den Leistungsgewinn erläutert. Die überwiegend formelmäßige Darstellung
erfolgt in den ersten beiden Kapiteln betont detailliert, da dem Demonstrieren und Üben des
methodischen Vorgehens mindestens ebenso große Bedeutung beizumessen ist wie den
gewonnenen Ergebnissen. Das Verständnis dieser Kapitel setzt lediglich Kenntnisse voraus,
die typischerweise in den ersten vier Semestern eines Studiums der Elektrotechnik auf
universitärem Niveau in den Lehrveranstaltungen Höhere Mathematik, Grundlagen der
Elektrotechnik, Systemtheorie und Signaltheorie vermittelt werden. Umgekehrt bilden
Kapitel 1 und 2 des vorliegenden Buches in etwa die Basis einer einsemestrigen
Lehrveranstaltung im letzten Drittel eines Bachelorstudiengangs.
Die weiteren Kapitel des Buches sind in weit stärkerem Maße integrativ, setzen dabei fundierte
Kenntnisse aus einem einschlägigen Bachelorstudiengang bzw. die Bereitschaft zu deren
eigenständigem Erwerb voraus und bereiten direkt auf eine spezialisierte berufliche Tätigkeit
vor. So werden in Kapitel 3 die grundlegenden Kenntnisse und methodischen Fähigkeiten
vermittelt, die für die Berücksichtigung der wesentlichsten Aspekte des Entwurfs von
Hochfrequenzverstärkern erforderlich sind. In gleicher Weise werden Oszillatoren und
Mischer in Kapitel 4 und 5 behandelt. Kapitel 6 ist schließlich digitalen Hochgeschwindig-
keitsschaltkreisen gewidmet. Diese vier Kapitel sind insgesamt für eine weitere einsemestrige
Lehrveranstaltung eines Masterstudiengangs und darüber hinaus natürlich auch in
ausgewählten Teilen ganz grundsätzlich für die berufliche Weiterbildung geeignet.
Mit diesem Lehrbuch wird dabei in besonderem Maße versucht, auf der Grundlage
theoretischer Kenntnisse und methodischer Kompetenzen auch intuitive Fähigkeiten zu
entwickeln, die den Entwicklungsingenieur in seiner typischerweise synthetischen Arbeit
unterstützen.
Der an speziellen Fragestellungen interessierte Leser wird durch ein umfangreiches
Stichwortverzeichnis unterstützt. Alle Fachbegriffe werden weitestgehend in deutscher
Sprache eingeführt, aber auch in englischer Sprache angegeben, da die englischsprachige
Version sehr häufig auch im deutschsprachigen Raum weitaus populärer ist.
VI Vorwort
Das Buch wendet sich primär an Studierende der Elektrotechnik an Universitäten und
Hochschulen sowie an besonders interessierte Studierende an Fachhochschulen und
Berufsakademien, die sich im Bereich der Hochfrequenztechnik, insbesondere der integrierten
Hochfrequenzschaltkreise spezialisieren wollen. Darüber hinaus werden Doktoranden,
Berufseinsteiger und Berufspraktiker in der fachlichen Weiterqualifikation oder
Neuorientierung an Forschungsinstituten und in industriellen Forschungseinrichtungen
angesprochen.

Andreas Thiede

Erkner im Oktober 2012
VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ...................................................................................................................................... V(cid:3)

Inhaltsverzeichnis .................................................................................................................... VII(cid:3)

1 Leitungstheorie ........................................................................................................................ 1(cid:3)
1.1 Primäre Leitungskonstanten ............................................................................................. 1(cid:3)
1.2 Leitungsgleichung ............................................................................................................ 5(cid:3)
1.3 Lösung für beliebige Zeitvorgänge .................................................................................. 6(cid:3)
1.4 Stationäre Lösung ............................................................................................................. 7(cid:3)
1.5 Verlustlose Leitung .......................................................................................................... 8(cid:3)
1.5.1 Generatorimpedanz Z=0, Abschlussimpedanz Z=Z .............................................. 8(cid:3)
i a W
1.5.2 Generatorimpedanz Z=Z , Abschlussimpedanz Z=Z ............................................ 9(cid:3)
i W a W
1.5.3 Generatorimpedanz Z=Z , Abschlussimpedanz Z beliebig ................................... 10(cid:3)
i W a
1.5.4 Generatorimpedanz Z und Abschlussimpedanz Z beliebig .................................... 15(cid:3)
i a
1.5.5 Kettenschaltung von Leitungen ............................................................................... 16(cid:3)
1.5.6 Kettenmatrix der verlustlosen Leitung .................................................................... 17(cid:3)
1.5.7 Leitungsersatzschaltbild mit gesteuerten Quellen ................................................... 21(cid:3)
1.6 Verlustbehaftete Leitung ................................................................................................ 21(cid:3)
1.6.1 Wellenwiderstand, Ausbreitungskonstante ............................................................. 21(cid:3)
1.6.2 Verzerrungsfreie Leitung ........................................................................................ 24(cid:3)
1.7 Stationäre Vorgänge auf verlustlosen Leitungen ........................................................... 26(cid:3)
1.7.1 Komplexer Reflexionsfaktor ................................................................................... 27(cid:3)
1.7.2 Welligkeit ................................................................................................................ 28(cid:3)
1.7.3 Wanderwellen und stehende Wellen ....................................................................... 30(cid:3)
1.7.4 Leitung als Vierpol .................................................................................................. 31(cid:3)
1.7.5 Eingangsimpedanz ................................................................................................... 31(cid:3)
1.7.6 Das Leitungs- (Smith-) Diagramm .......................................................................... 33(cid:3)
1.7.6.1 Das Impedanz- (Z-) Diagramm ........................................................................ 33(cid:3)
1.7.6.2 Das Admittanz- (Y-) Diagramm ....................................................................... 40(cid:3)
1.8 Stationäre Vorgänge auf verlustbehafteten Leitungen ................................................... 43(cid:3)
1.8.1 Komplexer Reflexionsfaktor ................................................................................... 44(cid:3)
1.8.2 Leitung als Vierpol .................................................................................................. 45(cid:3)
1.8.3 Wellenwiderstand, Ausbreitungskonstante ............................................................. 46(cid:3)
VIII Inhaltsverzeichnis
1.8.4 Ersatzschaltbild ........................................................................................................ 48(cid:3)
1.9 Leitungsschaltungen ....................................................................................................... 49(cid:3)
1.9.1 Leitungen als Kapazitäten und Induktivitäten ......................................................... 49(cid:3)
1.9.2 Filter ........................................................................................................................ 52(cid:3)
1.9.3 Koppler .................................................................................................................... 54(cid:3)
1.9.4 Anpassnetzwerke ..................................................................................................... 54(cid:3)
1.9.4.1 L-C-Anpassnetzwerke ...................................................................................... 55(cid:3)
1.9.4.2 Anpassnetzwerke mit Leitungen....................................................................... 61(cid:3)
Literaturverzeichnis zu Kapitel 1: ......................................................................................... 64(cid:3)

2 n-Tor-Theorie ........................................................................................................................ 65(cid:3)
2.1 Einführung ...................................................................................................................... 65(cid:3)
2.1.1 Vierpole als Zweitore .............................................................................................. 65(cid:3)
2.1.2 n-Tore ...................................................................................................................... 66(cid:3)
2.2 Beschreibung von n-Toren mit Hilfe von Wellen .......................................................... 67(cid:3)
2.3 Streumatrix ..................................................................................................................... 69(cid:3)
2.3.1 Interpretation ........................................................................................................... 70(cid:3)
2.3.2 Transformation auf einen anderen Bezugswiderstand ............................................. 71(cid:3)
2.3.3 Zusammenschaltung von n-Toren ........................................................................... 72(cid:3)
2.3.4 Beispiele .................................................................................................................. 75(cid:3)
2.3.4.1 Verzweigung..................................................................................................... 75(cid:3)
2.3.4.2 Längstwiderstand .............................................................................................. 77(cid:3)
2.3.4.3 Querwiderstand ................................................................................................. 77(cid:3)
2.4 Klassifizierung von n-Toren ........................................................................................... 78(cid:3)
2.4.1 Reflexionssymmetrie ............................................................................................... 78(cid:3)
2.4.2 Übertragungssymmetrie (Umkehrbarkeit, Reziprozität) ......................................... 78(cid:3)
2.4.3 Verlustlose n-Tore ................................................................................................... 78(cid:3)
2.4.4 Passive n-Tore ......................................................................................................... 80(cid:3)
2.4.5 Aktive n-Tore .......................................................................................................... 81(cid:3)
2.4.6 Beispiele .................................................................................................................. 81(cid:3)
2.4.6.1 Verlustlose Leitung .......................................................................................... 81(cid:3)
2.4.6.2 Reflexionsfreier, übertragungssymmetrischer, verlustloser Leistungsteiler ..... 82(cid:3)
2.4.6.3 6 dB Leistungsteiler .......................................................................................... 83(cid:3)
2.4.6.4 Signalteiler ........................................................................................................ 86(cid:3)
2.4.6.5 Zirkulator .......................................................................................................... 88(cid:3)
2.4.6.6 Wilkinson-Koppler ........................................................................................... 90(cid:3)
IX
2.5 Gewinndefinitionen ........................................................................................................ 91(cid:3)
2.5.1 Eingangsreflexionsfaktor ......................................................................................... 92(cid:3)
2.5.2 Ausgangsreflexionsfaktor ........................................................................................ 93(cid:3)
2.5.3 Von der Quelle eingespeiste Leistung ..................................................................... 93(cid:3)
2.5.4 Von der Quelle angebotene Leistung ...................................................................... 94(cid:3)
2.5.5 In die Last eingespeiste Leistung ............................................................................ 94(cid:3)
2.5.6 Der Last angebotene Leistung ................................................................................. 95(cid:3)
2.5.7 Klemmenleistungsgewinn ....................................................................................... 95(cid:3)
2.5.8 Übertragungsleistungsgewinn ................................................................................. 96(cid:3)
2.5.9 Verfügbarer Leistungsgewinn ................................................................................. 97(cid:3)
2.5.10 Maximal verfügbarer Leistungsgewinn (MAG) .................................................... 98(cid:3)
2.5.11 Maximal stabiler Leistungsgewinn (MSG) ......................................................... 104(cid:3)
2.5.12 Unilateraler Leistungsgewinn .............................................................................. 104(cid:3)
2.5.13 Mason-Gewinn .................................................................................................... 106(cid:3)
Literaturverzeichnis zu Kapitel 2: ....................................................................................... 112(cid:3)

3 Integrierte Hochfrequenzverstärker ..................................................................................... 113(cid:3)
3.1 Schmalbandige Verstärker ........................................................................................... 113(cid:3)
3.1.1 Leistungsgewinn .................................................................................................... 113(cid:3)
3.1.2 Stabilität................................................................................................................. 115(cid:3)
3.1.2.1 Stabilitätsanalyse mit Hilfe von Polstellen ..................................................... 115(cid:3)
3.1.2.2 Stabilitätsanalyse mit Hilfe des Nyquist-Kriteriums ...................................... 119(cid:3)
3.1.2.2 Stabilitätsanalyse mit Hilfe des Bode-Diagramms ......................................... 122(cid:3)
3.1.2.4 Stabilitätsanalyse mit Hilfe der Sprungantwort .............................................. 124(cid:3)
3.1.2.5 Stabilitätsanalyse mit Hilfe von Reflexionsfaktoren ...................................... 126(cid:3)
3.1.3 Rauschen ............................................................................................................... 136(cid:3)
3.1.3.1 Rauschmechanismen ...................................................................................... 138(cid:3)
3.1.3.2 Rauschersatzschaltbilder ................................................................................ 141(cid:3)
3.1.3.3 Rauschtemperatur ........................................................................................... 142(cid:3)
3.1.3.4 Rauschfaktor, Rauschzahl .............................................................................. 143(cid:3)
3.1.3.5 Rauschanpassung............................................................................................ 144(cid:3)
3.1.3.6 Rauschkreise ................................................................................................... 147(cid:3)
3.1.4 Linearität ............................................................................................................... 151(cid:3)
3.1.5 Entwurf eines schmalbandigen Verstärkers .......................................................... 153(cid:3)
3.2 Breitbandige Verstärker ............................................................................................... 155(cid:3)
3.2.1 Breitbandige Anpassnetzwerke ............................................................................. 155(cid:3)
X Inhaltsverzeichnis
3.2.2 Wanderwellenverstärker ........................................................................................ 156(cid:3)
3.2.2.1 Funktionsprinzip ............................................................................................. 156(cid:3)
3.2.2.2 Schaltungssimulation ...................................................................................... 164(cid:3)
3.2.2.3 Künstliche Wellenleiter .................................................................................. 165(cid:3)
3.2.2.4 „Langsame“ Wellenleiter................................................................................ 165(cid:3)
3.2.2.5 Kaskodestufe .................................................................................................. 166(cid:3)
3.2.2.6 Skalierte Drainleitungsimpedanz .................................................................... 167(cid:3)
3.2.2.7 Weitere Wanderwellenverstärkerkonzepte ..................................................... 167(cid:3)
Literaturverzeichnis zu Kapitel 3: ....................................................................................... 170(cid:3)

4 Integrierte Hochfrequenzoszillatoren .................................................................................. 173(cid:3)
4.1 Schwingungsdifferentialgleichung ............................................................................... 173(cid:3)
4.2 Schwingbedingung ....................................................................................................... 176(cid:3)
4.3 Sourcefolger als Oszillator ........................................................................................... 178(cid:3)
4.3.1 Negativer Eingangswiderstand .............................................................................. 178(cid:3)
4.3.2 Rückkopplung ....................................................................................................... 179(cid:3)
4.3.3 Barkhausen-Bedingung ......................................................................................... 180(cid:3)
4.3.4 Schaltungstechnische Realisierung ........................................................................ 181(cid:3)
4.4 Weitere Oszillatorschaltungen ...................................................................................... 182(cid:3)
4.4.1 Ringoszillatoren ..................................................................................................... 182(cid:3)
4.4.2 Kreuzgekoppelte L-C-Oszillatoren ........................................................................ 183(cid:3)
4.4.3 Colpitts- und Hartley-Oszillatoren ........................................................................ 183(cid:3)
4.5 Stabilitätsbedingungen ................................................................................................. 184(cid:3)
4.6 Spannungsgesteuerte Oszillatoren ................................................................................ 187(cid:3)
4.7 Parameter von Oszillatoren .......................................................................................... 187(cid:3)
Literaturverzeichnis zu Kapitel 4: ....................................................................................... 189(cid:3)

5 Integrierte Hochfrequenzmischer ........................................................................................ 191(cid:3)
5.1 Grundlagen ................................................................................................................... 191(cid:3)
5.2 Topologien und Typen von Mischern .......................................................................... 195(cid:3)
5.2.1 Einphasiger Diodenmischer ................................................................................... 195(cid:3)
5.2.2 Balancierter Diodenmischer mit 180°-Koppler ..................................................... 196(cid:3)
5.2.3 Balancierter Diodenmischer mit 90°-Koppler ....................................................... 198(cid:3)
5.2.4 Resistiver FET-Mischer ......................................................................................... 198(cid:3)
5.2.5 Gate-, Dualgate- und Drainmischer ....................................................................... 199(cid:3)
5.2.6 Gilbert-Zelle .......................................................................................................... 200(cid:3)
XI
5.2.7 Vergleich der verschiedenen Mischertypen .......................................................... 202(cid:3)
Literaturverzeichnis zu Kapitel 5: ....................................................................................... 203(cid:3)

6 Digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen ........................................................................ 205(cid:3)
6.1 Logikfamilien ............................................................................................................... 206(cid:3)
6.1.1 Gepufferte FET-Logik (engl. Buffered FET Logic, BFL) .................................... 206(cid:3)
6.1.2 Schottky-Dioden-FET-Logik (engl. Schottky Diode FET Logic, SDFL) ............. 206(cid:3)
6.1.3 Direkt gekoppelte FET-Logik (engl. Direct Coupled FET Logic, DCFL) ............ 207(cid:3)
6.1.4 Superpuffer-FET-Logik (engl. Super Buffer FET Logic, SBFL) ......................... 209(cid:3)
6.1.5 Sourcegekoppelte-FET-Logik (engl. Source Coupled FET Logic, SCFL) ........... 209(cid:3)
6.2 D-Flip-Flops ................................................................................................................. 211(cid:3)
6.3 Frequenzteiler ............................................................................................................... 215(cid:3)
6.3.1 Statische Frequenzteiler......................................................................................... 215(cid:3)
6.3.2 Dynamische Frequenzteiler ................................................................................... 216(cid:3)
6.3.3 Regenerative Frequenzteiler .................................................................................. 218(cid:3)
6.4 Multiplexer ................................................................................................................... 219(cid:3)
6.5 Demultiplexer ............................................................................................................... 223(cid:3)
6.6 Phasenschieber ............................................................................................................. 226(cid:3)
Literaturverzeichnis zu Kapitel 6: ....................................................................................... 228(cid:3)

Stichwortverzeichnis ............................................................................................................... 229(cid:3)