Zusammenfassung
Wir beginnen unseren Kursus für den Entwurf elektronischer Schaltungen mit der einfachsten und klassischsten aller elektronischen Schaltungen: dem selektiven Verstärker. Diese Art von Schaltung findet sich meist am Eingang eines guten Funkempfängers [1], denn sie liefert zum einen eine definierte Leistungsverstärkung über einen bestimmten Frequenzbereich und hat zum anderen das bestmögliche Rauschverhalten. Verstärker dieser Art befinden sich auch in modernen wissenschaftlichen Geräten, wie beispielsweise Magnetometern mit supraleitenden Meßspitzen oder magnetischen Kernresonanzsystemen, die in der analytischen Chemie und in der medizinischen Diagnostik verwendet werden.
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Bemerkungen
P.Horowitz und W.Hill, ‚The Art of Electronics‘, Cambrige University Press, 1980, Kap. 13, S. 575.
Die erste Ausgabe der Serie ‚Wiley Series an Filters‘ war ‚Mechanical Filters in Electronics‘ von R.A.Johnson, John Wiley, New York, 1983. Bemerkenswert sind außerdem ‚Modern Filter Theory and Design‘, herausgegeben von G.C.Temes and S.K.Mitra, John Wiley, New York 1973, und für höhere Frequenzen ‚Surface Wave Filters‘, herausgegeben von H.Matthews, John Wiley, New York, 1977.
Dies mag von der verbreiteten Meinung herrühren, daß ein Verstärker eine Spannung verstärken und eine hohe Eingangsimpedanz haben sollte. Die Ansicht, daß Leistungsverstärkung gekoppelt mit gutem Rauschverhalten wesentlich bedeutsamer ist, ist bereits ein fortschrittlicherer Gedanke. Die Verwendung der Schaltungsgrundstruktur von Bild 2.1(b), die normalerweise mit Hochvakuumröhren arbeitet, etablierte sich erst spät in der Elektronik. Dies ist allein mit der Tatsache, man hätte erst auf eine indirekt heizbare Kathode warten müssen, schwer zu erklären ist. Bild 2.1(c) kann A.D.Blumlein zugeordnet werden, da er die Schaltung mit Datum vorn 4.Sept.1934 unter der Brit.Pat.Nr. 448421 registrieren ließ. Die Idee, die Bilder 2.1(b) und 2.1(c) als Schaltung von Bild 2.2 zu kombinieren, ist ebenfalls von Blumlein patentiert worden (Brit.Pat.Nr. 482740, 4.Juli 1936 ). Blumlein verwendete diese Schaltungen jedoch nicht im Hochfrequenzbereich. Die Idee, die Schaltung von Bild 2.1(b) allein zu verwenden, ist wahrscheinlich jüngeren Ursprungs. Sie erschien erstmals in Japan von N.Tanaka, ‚Nippon Elect.Comm.‘, 19, 192, Januar 1940 und in Großbritannien in ‚Electronics‘, 13, 14–16 und 55–56, Juli 1940.
E.Braun und S.MacDonald, ‚Revolution in. Miniature‘, Cambridge University Press, 1978. Brattain’s Aufzeichnungen vom 23.Dez.1947 sind auf der Seite 47 reproduziert und zeigen die erste verwendete Transistorverst?rkerschaltung.
Der Ursprung im Jahr 1936 wird in Bemerkung 3 erläutert.
Das Wort ‚Kaskode‘ wurde möglicherweise von F.V.Hunt und R.W.Hickmau in Rev.Sei.Inst., 10, 6–21, 1939, eingeführt. Die beiden Autoren vom Cruft Labor der Harvard University verwendeten die Schaltung bei kleinen Frequenzen. Der Grund der Bedeutung der Kaskode, gegenüber der klassischen ‚Pentoden‘-Lösung des Rückkopplungsproblems bei hohen Frequenzen, wird von H. Waliman u.a., Proc IRE, 36, 700–708, Juni 1948, als eine Frage des Rauschbildes angegeben.
RCA 40841: Datensatz Nr. 489.
Nahe dieser Schwingungsbedingung sind sehr hohe Leistungsverstärkungen und sehr schmale Bandbreiten erreichbar. Dies war die Grundlage auf der die Funkempfänger um 1914 herum arbeiteten und die Funker mußten über einige Geschicklichkeit und Erfahrung verfügen, um die Geräte zu bedienen. In späteren Jahren benutzten Funkamateure derartige Empf?nger für weltweite übertragung mit Sendeleistungen von nur 100 W und Empfängern, die ein einziges aktives Bauteil mit einem Wert für g m von weniger als 1 mS verwendeten. Ein interessantes Papier von D.G.Tucker über die Geschichte dieser Schaltungen ist in ‚Radio and Electr.Eng.‘, 42, 69–80, 1972, zu finden.
Wie oben unter 8 vermerkt, war ein äußerst geschickter Funker notwendig, um die Funkgeräte in den Anfangsjahren des Jahrhunderts zu brauchbaren Werkzeugen zu machen. Es war somit eigentlich die Kombination von Schaltung und Benutzer, die das Gerät erst brauchbar machte.
Einige sehr effektive Methoden, um die relative Empfindlichkeit der Komponenten einer Schaltung mittels eines Computers auszuwerten, wurden von R.Spence und seinen Mitarbeitern entwickelt: ‚Computer Aided Design‘, 8, 49–53, Januar 1976. Anmerkung der übersetzer: R.K.Brayton u. R.Spence, ‚Sensitivity and Optimiziation‘, Elsevier, 1980.
Hier folgen wir R.A.Santilli, IEEE Trans., BTR-13, 113–118, 1967. Das Buch ‚Transistors and Active Circuits‘voll J.G.Linvill und J.F.Gibbons, McGraw-Hill, New York, 1961, enth?lt eine detailliertere Diskussion wurde von vielen späteren Autoren als Modell benutzt. Dies gilt ebenso für die klassische Arbeit von A.P.Stern, Proc.IRE, 45, 335–43, März 1957. Alle Autoren betrachten den allgemeinen Fall, bei dem alle y-Parameter komplex sind. Wir konnten hier eine teilweise vereinfachte Darstellung wählen, bei der y12 als rein imaginär und y21 als reell angenommen wurde, da wir bei einer relativ kleinen Frequenz von 10 MHz arbeiteten.
RCA CA3028A/B: Datensatz Nr. 382.
RCA 3N187: Datensatz Nr.326.
RCA AN4431, ‚RF Applications of the Dual-Gate-MOSFET up to 500 MHz, L.S.Baar.
RCA ICAN5337, ‚Application of the RCA CA8028A and CAS028B‘ ‚Integrated Circuit RF Amplifiers in the HF and VHF Ranges‘, H.M.Kleinman.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schaltung mit Hilfe des Rückkopplungsprinzips zu neutralisieren. Beschreibt man den Verstärker mit Hilfe der y-Parameter, muß der Koeffizient y12 zu Null gemacht werden (siehe z.B. W.T.H.Hetterscheid, ‚Selektive Transistorverstärker‘, Band 1: Grundlagen, Philips Technische Bibliothek, 1965, Kapitel 3, insbes. Anschnitt 3.3).
Der Einfluß der Transistorkapzitäten in der Emitter-bzw. Basis-Grundschaltung wird bei U.Tietze und Ch.Schenk ‚Halbleiter-Schaltungstechnik‘, Springer-Verlag, 9.Aufl., 1989, in Abschnitt 16.2 behandelt.
Diese Schaltung wird beispielsweise bei U.Tietze und Ch.Schenk (siehe Bemerkung B) in Abschnitt 16.4 besprochen.
Die Kaskode-Schaltung wird bei U.Tietze und Ch.Schenk (siehe Bemerkung B) in Abschnitt 16.3, sowie bei M.Seifart, ‚Analoge Schaltungen‘, Dr. Alfred Hüthig Verlag, 1987, in den Abschnitten 3.9.1 und 4.5 diskutiert. Es ist nützlich, die y-Parameter der Kaskade einer Emitter- und einer Basis-Grundschaltung zu berechnen. Dabei geht man von den für Transistoren gebräuchlichen y-Parametern aus und wandelt sie (wegen der Kaskodenschaltung) in die Kettenparameter um. Schließlich berücksichtigt mau die Größenordnungen der y-Parameter eines Bipolar-Transistors. Man erhält: Der Eingangsleitwert der Kaskode wird durch die Emitter-Grundschaltung bestimmt, die Rückwirkung ist vernachlässigbar, die Verstärkung wird durch die Emitter-Grundschaltung und der Ausgangsleitwert durch die Basis-Grundschaltung bestimmt.
C II L bedeutet: Parallelschaltung von C und L.
Läßt sich eine Schaltung mit Hilfe eines linearen zeitinvarianten Netzwerks modellieren, kann man bei ‚kleinen‘ Netzwerken ein Programm zur vollsymbolischen Analyse verwenden und zur weiteren Auswertung (Berechnung der Empfindlichkeiten u.s.w.) ein Computer-Algebra-Programm benutzen (siehe z.B. W.Mathis, ‚Issues in CAD Tools for Analog Integrated Circuits‘, erscheint im Intern. Journal of Computer Aided VLSI-Design, Frühjahr 1990 ).
Die Theorie der Zweitore (früher Vierpol-Theorie) wird z.B. bei W.Klein, ‚Grundlagen der Theorie elektrischer Schaltungen‘, Teil 1, Mehrtortheorie, Akademie-Verlag, 1970, und H.Marko, ‚Theorie linearer Zweipole, Vierpole und Mehrtore‘, Hirzel-Verlag, 1970.
Das bedeutet, da? das Gesamtnetzwerk Pole in der rechten komplexen Halbebene besitzt. Man nennt Netzwerke (asymptotisch) stabil, wenn alle Pole in der linken komplexen Halbebene liegen (z.B. W.Mathis, ‚Theorie nichtlinearer Netzwerke, Springer-Verlag, 1987, Abschnitt 4.12.2.).
Die Kondensatoren C3 und C4 haben natürlich nur dann einen Sinn, wenn man die parasitären Widerstände der Zuleitungen zu U + und U_ und deren endliche Innenwiderstände berücksichtigt. Daher spricht man sonst auch von Siebkondensatoren.
Zur besseren Unterscheidung der Halbleitergebiete und Kontaktflächen von den parasitären Widerständen wurden die bei O’Dell verwendeten angelsächsischen Symbole für die Widerstände an dieser Stelle beibehalten.
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O’Dell, T.H. (1990). Hochfrequenz-Bandpaß-Verstärker. In: Die Kunst des Entwurfs elektronischer Schaltungen. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-83933-7_2
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