Prof. Dr.-Ing.
C.C. Timmermann

Private Internetpräsenz

Timmermann, Claus Ch: Hochfrequenzelektronik mit CAD Band 2

Rauschen, Schmal- und Breitbandverstärker, Oszillatoren, Koppler, Filter, PLL, Antennen- und Optoelektronik mit zahlreichen Beispielen, Aufgaben und Programmen für Knoten- und Feldlöser

Profund-Verlag, 1997, 2005 207 S., 160 Abb., 44 Tab. - 24,2 x 16,5 cm. - 400. - Broschiert, im Handel lieferbar
ISBN 3-932651-22-7, ISBN  978-3-932651-22-9 ; 44,50€ unverbindlich (89,- SFr)

Leseprobe 1        Leseprobe 2     Leseprobe 3        Stichwortverzeichnis

Inhaltverzeichnis:

(Kapitelnumerierung von Band 1 und 2 fortlaufend)

3.  Rauschen
3.1    Signale im Zeit- und Frequenzbereich
3.1.1 Fourieranalyse
3.1.2 Fouriertransformation
3.1.3 Einige Rechenregeln zur Fouriertransformation
3.1.4 Impulsantwort und Übertragungsfunktion
3.1.5 Fouriertransformation in der Meßtechnik
3.1.6 Faltung, Autokorrelation und Parsevalsches Theorem
3.1.7 Autokorrelation und Leistungsdichtespektrum für Rauschsignale
3.1.8 Rauschphasor und Abbildung von Rauschspektren durch Übertragungsfunktion
3.1.9 Äquivalente Rauschbandbreite

3.2   Rauschspektren einiger Rauschquellen
3.2.1 Wärmerauschen
3.2.2 Schrotrauschen

3.3  Rauschanalyse elektronischer Schaltungen mit Hilfe von Rauschphasoren
3.3.1 Prinzip der äquivalenten Rauschquelle
3.3.2 Demonstration des Verfahrens am Beispiel einer RC-Schaltung

3.4  Rauschvierpol, Rauschzahl und Störabstand rauschender Vierpole
3.4.1 Allgemeines
3.4.2 Rauschvierpoldarstellung mit unkorrelierten Quellen und Korrelationsleitwert
3.4.3 Rauschzahl und Störabstand bei Schmalbandrauschen

3.5   Rauschvierpolbestimmung und Umrechung von Rauschparametern
3.5.1 Rauschvierpolbestimmung über physikalische Rauschmodelle des Vierpols
3.5.2 Rauschvierpolbestimmung über gemessene Daten F(ZG) und Rauschkreise

3.6   Breitbandrauschen
3.6.1 Ansteuerung mit Spannungsquelle
3.6.2 Ansteuerung mit Stromquelle (optischer Empfänger)

3.7   Einige Besonderheiten bei rauschenden Schaltungen
3.7.1 Stromquellengenerator mit Re(YG)=0
3.7.2 Rauschvierpolbestimmung aus den s-Parametern passiver, thermisch rauschender Vierpole
3.7.3 Kaskadierungsformel für die Rauschzahl in Kette geschalteter Vierpole

3.8   Praktische Rauschanalyse mit CAD-Systemen
3.8.1 Allgemeines
3.8.2 Rauschanalyse mit TWOP und SCOPE (5 Beispiele)
 

4   Entwurf linearer Hochfrequenzverstärker
4.1   HF- und Mikrowellenschmalbandverstärker
4.1.1 Vergleich der Impedanzverhältnisse bei NF- und HF-Schaltungen
4.1.2 Grundlegende Eigenschaften der Anpaßschaltungen
4.1.3 Vergleich der Gewinn und Verstärkungsbegriffe; grundsätzliche Anpaßfälle
4.1.4 Entwurf der Torbeschaltung für den rückwirkungsfreien Fall mit s12=0
4.1.5 Entwurf der Torbeschaltung bei Vierpolen mit Rückwirkung (s12 ungleich Null)
4.1.6 Entwurf eines rauscharmen 12 GHz-Vorverstärkers über Ga

4.2   HF- und Mikrowellenbreitbandverstärker
4.2.1 Allgemeines
4.2.2 Breitbandverstärker für Frequenzmultiplexanwendungen
4.2.3 Breitbandverstärker (Wanderwellenverstärker) für Datenfolgen bis 10 GBit/s
        a) Prinzip         b) Dimensionierung         c) Dimensionierungsbeispiel         d) kommerzielle Verstärker
4.2.4 Photodiodenbreitband-Vorverstärker
4.2.4.1 Allgemeines Rauschspektrum des Photodiodenvorverstärkers
4.2.4.2 Rauschspektrum bei Photodiodenverstärker mit Einzeltransistor
4.2.4.3 Signal- und Rauschverhalten des idealen Transimpedanzverstärkers
4.2.4.4 Signal- und Rauschverhalten des realen Transimpedanzverstärkers
        a) Allgemeine Gesichtspunkte
        b) Exakte Transimpedanz eines Mikrowellen-Transimpedanzverstärkers
        c) Exakte und genäherte Rauschberechnung für Photodiodenvorverstärker bis 10 GBit/s
        d) Exakte und genäherte Pulsberechnung für Photodiodenvorverstärker bis 10GBit/s
        e) Berechnung des dem Puls übelagerten Rauschens; notwendiger Photostrom
4.2.5 Breitbandverstärker mit SiGe-Transistoren: Beispiel für 10 GHz-Lasertreiber

5 Entwurf von Oszillatoren
5.1 Allgemeines
5.2 Äquivalente Formulierungen für die Bedingung des Stabilitätsgrenzfalles
     a) Stabilitätsgrenzfall formuliert durch die erforderliche Schleifenverstärkung
     b) Stabilitätsgrenzfall formuliert durch die erforderlichen Toradmittanzen
     c) Stabilitätsgrenzfall formuliert durch die erforderlichen Reflexionsfaktoren
5.3 Stabilitätskreise und Stabilitätsfaktor K
5.4 Allgemeine und spezielle Anschwingbedingung bei Oszillatoren
5.5 Dimensionierungsgleichungen bei Parallel-Gegenkopplung
5.5.1 Erforderliches Yr  im Stabilitätsgrenzfall
5.5.2 Schwingfrequenz und erforderliches y21 für reine Ausgangsbelastung und y12=0 bei Parallelgegenkopplung mit Admittanz Yr
5.5.3 Genäherte Diemnsionierungsgleichungen und Entwurfsbeispiele für den Colpitts-Oszillator
5.5.3.1 Schwingfrequenz und Steilheit an der Stabilitätsgrenze
5.5.3.2 Dimensionierungsverfahren; Dimensionierung eines 100 MHz-Oszillators
5.5.3.3 Dimensionierungsbeispiel eines Colpittsoszillators für 2,45 GHz
5.5.3.4 SPICE-Analyse eines 100 MHz-Colpitts-Oszillators
5.5.4 Verallgemeinerung der Dimensionierung für passive, reziproke Parallel-Gegenkopplung

5.6 Dimensionierungsgleichungen bei Serien-Gegenkopplung
5.6.1 Dimensionierungslgeichungen für y12,22=0
5.6.2 Dimensionierung für Sonderfall y12,22=0 und Re(y11)=0

5.7 Frequenzstabile Oszillatoren
5.7.1 Allgemeines
5.7.2 Quarze
5.7.2.1 Ersatzbild von Quarzen
5.7.2.2 Dimensionierung eines 100 MHz-Quarzoszillators mit Serien-Gegenkopplung
5.7.3 Akustische Oberflächenwellenfilter (SAW)
5.7.3.1 Ersatzbild eines SAW
5.7.3.2 Umrechnung von 4-Pol auf 2-Pol-Werte
5.7.3.3 SAW-Zweipolimpedanzberechnung aus 4-Pol-s-Parametern
5.7.4 Ziehbereich und Güte von SAW und Quarz
5.7.5 Transisentenanalyse und AC-Analyse von HF-Oszillatoren hoher Güte
5.7.6 Oszillatoren mit dielektrischen Resonatoren
5.7.6.1 Allgemeines
5.7.6.2 Dimensionierung
5.7.6.3 Entwurfsbeispiel eines 24 GHz-Oszillators mit dielektrischem Resonator
     a) Anpassung      b) Blockschaltung      c) Kopplerberechnung      c) Auswertung      d) Realisierung

5.8 Nichtlineare Analyse von Oszillatoren mit der Harmonic-Balance-Methode

6 Feldanalyse-Systeme für die HF-Elektronik
6.1 Allgemeines
6.2 Eigenwellen, einwellige und vielwellige Wellenleiter, Wellenleiteranregung
6.3 Grundsätzliche Aufgabe von Feldlösern
6.4 Funktionsweise von Feldlösern
6.5 Verkopplung von Feldlösern und Knotenanalysatoren
6.6 Einige Systembeispiele
6.7 Anwendungsbeispiele zu Feldlösern
6.7.1 Berechnung eines Mikrostreifenleitungsfilters mit HFSS (hp) und SONNET
6.7.2 Streifenleitungsberechnung mit NEC2
6.7.3 Einbinden einer Funkstrecke in einen Knotenanalysator
6.7.4 Berechnung einer planaren Antenne mit SONNET

7 Nichtlineare Elektronik
7.1 Allgemeines
7.2 Knotenanalysatoren zur Strom-Spannungsanalyse
7.3 Allgemeines zu linearen und nichtlinearen Modellen in der Elektronik
7.4 Kontrollmöglichkeiten für vorhandene Modelle
7.5 Praktische Modellierungshilfen zum Bipolartransistor
7.6 Nichtlineares Modellierungsbeispiel für einen Bipolartransistor im GHz-Bereich
7.7 Harmonic-Balance-Analyse eines 2,4 GHz-Sendeverstärkers mit Antenne
7.8 Leistungsverstärker
7.8.1 Das Gegentaktverfahren
7.8.2 A,B und C-Verstärker, Wirkungsgrade
7.8.3 PSPICE-Beispiel eines Gegentakt-B-Verstärkers
7.9 Mischung und Frequenzvervielfachung
7.9.1 Allgemeines
7.9.2 Doppel-Gegentaktmischer als Multiplikator
7.9.3 Die Photodiode als optischer Multiplikator

8 Filter und Koppler
8.1 Allgemeines
8.2 LC- und Mikrostreifenleitungsfilter
8.2.1 Betriebsübertragungsfunktion H(p)
8.2.2 Impedanz- und Frequenznormierung
8.2.3 Entwurfsbeispiel eines 3 GHz-Cauer-Tiefpasses
8.3 Koppler und Verzweiger
8.3.1 3 dB-Koppler mit galvanischer Verbindung
8.3.2 Richtkoppler ohne galvanische Kopplung
8.3.3 Wilkinson-Teiler
8.3.4 Breitband-Brückenrichtkoppler
     a) Funktionsweise und s-Parameter      b) Frequenzgang      c) PSPICE-Beispiel

9  Phasenregelkreise
9.1 Prinzip und Aufgabe der PLL
9.2 Anwendungen der PLL
9.3 Grundgleichungen der PLL und lineares Ersatzbild
9.4 Phasenregelfehler der PLL
9.4.1 Allgemeiner Phasenregelfehler
9.4.2 Phasenregelfehler bei Phasensprung
9.4.3 Phasenregelfehler bei Frequenzsprung
9.5 Dynamik der Phasenregelung für Filter 1. Ordnung
9.5.1 Schleifenfilter F(s) mit Integralanteil
9.5.2 RC-Schleifenfilter
9.6 Mechanische Analogie zur PLL
9.7 Halte- Fang- und Ziehbereich
9.8 Rauschen

Anhang T  : Transformator
1. Grundgleichungen
2. Frequenzgang der Spannungsverstärkung vu
3. SPICE-Anweisungen verkoppelter Induktivitäten
4. Anwendungsbeispiel eines Transformators
5. Allgemeiner Trafo: Gekoppelte Spulen

Anhang D : Diodenmodellierung
1. Einleitung
2. Statische Kennlinie
3. Temperator- und Materialeinfluß bei IS
4. Hochfrequenzverhalten
     a) Sperrschichtkapazität
     b) Diffusionskapazität, Ausräumzeit
5. Kleinsignalbetrieb
6. Rauschmodell
7. DC-Modellierung über TABLE-Anweisung
8. Hochfrequenz-Kleinsignalmodellierung über Impedanzen (1-Tor-s-Parameter)

Anhang HFTOOLS: DC-AC-Simulation mit s-Parameterfeldern
1. Allgemeines zur DC-AC-Modellierung mit steuerbaren s-Parameterfeldern
2. PSPICE-Eingabe eines frequenzabhängigen Vierpols für festen Arbeitspunkt
2.1 Admittanzdefinition
2.2 y-Parameter-Vierpoldefinition
2.3 s-Parameter-Vierpoldefinition
3. PSPICE-Eingabe eines frequenzabhängigen Vierpols für variablen Arbeitspunkt
3.1 s-Parameter-Vierpol mit Steuereingang BIASin
    3.2 s-Parameter-Vierpol mit zwei Steuereingängen
    3.3 Codegenerator
4. Praktische Hinweise zum Einsatz von HFTOOLS
4.1 Ausgabe der Vierpolparameter
4.2 Allgemeine Modellnachprüfung mit Software-NWAs
4.3 Erstellung eines s-Parametervierpols mit festem Arbeitspunkt
4.4 Erstellungs eines s-Parametermodells mit einfacher Arbeitspunktsteuerung
4.5 Erstellungs eines s-Parametermodells mit zwei Arbeitspunktsteuerungen
4.6 AC-DC-1-Tor-Modelle
5. Erprobte Anwendungsmöglichkeiten

Anhang Laser: ABM-PSPICE-Lasermodell mit Monitordiode
1. Lasermodell 1
1.1 PSPICE-Netzliste
1.2 Kennlinie von Modell 1
2. PSPICE-ABM-Lasermodell auf der Basis der Bilanzgleichungen
    2.1 Bilanzgleichungen, Modell 2
    2.2 Gleichungen zur Modellierung
          a) DC-Modellierungsgleichungen
          b) AC-Modellierungsgleichungen
          c) Modellierungsgleichung für Pulsverzögerung
    2.3 Modellierungsbeispiel
    2.4 Diskussion der Ergebnisse
3. Regelschaltung für Arbeitspunkt

Anhang OSZI: Oszillatoren
1. Stabilitätsgrenzfall als Brückenabgleich
2. Determinantenbedingung bei einem einfachen Beispiel

Anhang R: Rauschen
1. Gleichungen zur Berechnung von Ruaschvierpolen
1.1 Anschlußklemmenvertauschung bei rauschenden Vierpolen (E > B- und E > C-Schaltung)
1.2 Zusammenschaltung rauschender Vierpole (Kettenschaltung und Parallelschaltung)
1.3 Rauschvierpol eines passiven, reziproken, thermisch rauschenden Vierpols
2. Rauschvierpolmeßtechnik

Anhang S: SSPICE (symbolisches SPICE)
1. Vergleich SSPICE und STWOP
2. Programmbeispiele (Serienschwingkreis und Operationsverstärker)

Aufgaben zu Band 2
Lösung der Aufgaben zu Band 1
Lösung der Aufgaben zu Band 2
Gemischte Aufgaben zur HF-Schaltungstechnik mit Lösungen
Literatur
Stichworte zu Band 2
Stichworte (Auswahl) zu Berechnungsbeispielen und Aufgaben

Beispiel 1 aus "Hochfrequenzelektronik mit CAD" , Band 2:

CAD-Entwurf eines optoelektronischen Empfängers für 10 GBit/s mit 3 Transistoren im Vorverstärker und 3 Wanderwellennachverstärkern zu je 7 Transistoren. Die Rauschberechnung dieses Verstärkers wird ausführlich behandelt, ist aber nicht gezeigt. Nachfolgend sind als Beispiel das Blockschaltbild, das Schaltbild des Vorverstärkers und Teile des SCOPE-Files wiedergegeben:

1) Blockschaltbild eines optischen Vor- und Nachverstärkers:

2) enthaltener Transimpedanzverstärker für Zr =14fF || 5 KOhm mit 3 Transistoren

3) prinzipielles SUPERCOMPACT-File

Beispiel 2 aus "Hochfrequenzelektronik mit CAD" , Band 2:

CAD-Entwurf einer Patchantenne:
Von der Antenne wird die Impedanz Z planar mit dem Feldlöser SONNET berechnet und dann mit den Methoden der Leitungstheorie eine Anpassung dimensioniert. Zur Kontrolle wird im letzten Schritt die entworfene Gesamtstruktur einschließlich Anpassung wieder mit dem Feldlöser SONNET analysiert.