1. Grundlagen

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Labor für Hoch - und Höchstfrequenztechnik
Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
1. Grundlagen
1.1 Anwendung des ZF-Verstärkers
Die einfachste Art eines Empfängers in der Hochfrequenztechnik ist der so genannte
Geradeausempfänger. Die Eigenschaft, dass die Verstärkung von der Empfangsantenne bis zum
Demodulator auf ein und derselben Frequenz (bzw. Frequenzband) erfolgt, gab dem Empfängertyp
seinen Namen. Ein guter Rausch- und Störabstand wird hier nur dann gewährleistet, wenn die
Hauptverstärkung in der Eingangsstufe stattfindet. Dies wird durch einen selektiven Verstärker
erreicht, der auf die jeweilige zu empfangende Frequenz abgestimmt werden muss.
Das Bild 1.1 zeigt die Prinzipschaltung eines Einkreis - Geradeausempfängers.
Der Vorteil des Geradeausempfängers liegt in seinem einfachen Aufbau. Soll jedoch ein guter
Fernempfang erreicht werden, müssen mehrere Stufen hintereinander geschaltet werden, um eine
gute HF- Selektion zu erzielen.
HF-Stufe
Filter und
Verstärker
Demodulator
NF Verstärker
Bild 1.1 Einkreis- Geradeausempfänger
Das bedeutet, dass der schaltungstechnische Aufwand sehr hoch ist, da alle Stufen auf die
Empfangsfrequenz abzustimmen sind. Bei variabler Abstimmung müssten bei der Änderung der
Empfangsfrequenz sämtliche Filter in den Stufen nachgestimmt werden. Selbst mit Varaktordioden
wäre der Aufwand für einen befriedigenden Frequenzgleichlauf zu hoch. Daher findet der
Geradeausempfänger heute keine praktische Anwendung mehr und wurde durch das Prinzip des
Überlagerungsempfängers (Superheterodynempfänger) verdrängt [1] (Bild1.2).
HFVorstufe
Filter und
Vorverstärker
Mischstufe
ZF-Stufe
Filter und
ZFVerstärker
Demodulator
NFVerstärker
Pumposzillator
bzw.
Überlagerer
Bild 1.2 Einfachsuperhet
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Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
Wie der Name schon sagt „überlagert“ man der empfangenden Eingangsfrequenz eine zweite
Oszillatorfrequenz, um nach Mischung beider eine so genannte Zwischenfrequenz zu erhalten. So
vermeidet man die Nachteile des Geradeausempfängers.
Die Frequenzabstimmung des Empfängers (Eingangsfrequenz fE ) erfolgt durch geeignete Einstellung
der Oszillatorfrequenz f0 ; damit wird in der Mischstufe die Frequenz fE gemäß der Beziehung:
f
Z
=
mf
E
± nf ,
0
m,n = 1,2,3,...
(1)
in die ZF-Lage verschoben.
Nur der Teil des Signalspektrums, der danach in die Durchlassbandbreite des nachfolgenden
selektiven ZF- Verstärkers fällt, wird weiter verstärkt. Da die Beziehung (1) nicht eindeutig ist, muss
durch eine Vorselektion vor der Mischstufe der gewünschte Empfangsbereich (i.Allg. m=1, n=1) von
dem unerwünschten (m≠1,n≠1) getrennt werden. Bei geschickter Wahl von f0 und fZ lässt sich über
einen gewissen Durchstimmbereich ein so großer Abstand zwischen der Frequenz des Nutzsignals
und den unerwünschten Frequenzen einhalten, dass die Trennschärfe der Vorselektion erheblich
niedriger sein darf als die der Hauptselektion im ZF-Verstärker. Mit hochwertigen Mischstufen lässt
sich bis zu den größten vorkommenden Empfangspegeln sicherstellen, dass nur für m=1 ZF- Beträge
über dem Rauschen vorkommen [2].
Wenn nun noch f0 > fZ gewählt wird folgt damit:
f
(f
(f
Z
=
)
)
E n ,1
E n, 2
f
E
− nf
= nf −
(2)
0
f
= nf + f
0
Z
0
Z
(3)
(4)
Üblicherweise liegen die zu n>1 gehörenden Empfangsfrequenzen hinreichend weit weg, so dass die
Vorselektion die hauptsächliche Aufgabe hat, die im Abstand fE1-fE2 =2fZ liegende unerwünschte
Spiegelempfangsfrequenz zu unterdrücken [2] (Bild 1.3).
Selektion
Spiegelempfangsfrequenz
Empfangsfrequenz
fZ
VorSelektion
HauptSelektion
fE1
fZ
f0
fE2
f
Bild 1.3 Selektionsschema des Superhet
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Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
1.2 Aufgabe und Funktion des ZF-Verstärkers
Die wesentlichen Funktionen des ZF- Blocks im Überlagerungsempfänger sind die Selektion des
gewünschten Empfangssignals sowie seine Verstärkung einschließlich Verstärkerreglung bzw.
Begrenzung des selektierten Signals. Nach der Selektion, die unter 1.1 angesprochen wurde, hat der
ZF-Block die Aufgabe, das bisher relativ gering verstärkte Empfangssignal auf einen zur Demodulation
geeigneten Pegel anzuheben.
Bild 1.4 Prinzipschaltbild eines zweistufigen ZF-Verstärkers
Bild 1.4 zeigt das Prinzipschaltbild eines zweistufigen ZF – Verstärkers. Er besteht aus zwei
Verstärkerstufen, die durch Bandfilter gekoppelt sind, die den Frequenzgang der Verstärkung
bestimmen. Die Kettenschaltung der beiden Stufen stimmt in der grundsätzlichen Wirkungsweise mit
der einer einzelnen Stufe überein, da die Gesamtverstärkung der Kettenschaltung gleich dem Produkt
der Stufenzahl und der Stufenverstärkung ist [2].
1.3 Exkurs Bandfilter
Will man mit einem Empfänger einen Sender mit seinen Informationen aus dem gesamten
Frequenzband herausfiltern, sind zwei Bedingungen zu erfüllen:
1. Ausreichende Bandbreite, um eine gute Qualität der Übertragung zu gewährleisten.
2. Ausreichende Trennung des empfangenen Senders von Nachbarsendern.
Hiermit ergibt sich als ideale Durchlasskurve für den Empfänger eine Rechteckkurve, die sich
allerdings elektrotechnisch so nicht realisieren lässt, da sich streng genommen beide Bedingungen
einander ausschließen (Bild 1.5).
U
---- kleine Güte Q
große Güte Q
.
U
Sender Frequenzbänder
f01
f02
f03
f04
f
Bild 1.5 a) Ideale Durchlasskurve zum Empfang eines Senders
f02
f03
f
f04
b) Sender - Selektion mit 2 unterschiedlichen Resonanzkreisen
Denn hat ein einzelner Resonanzkreis einen hohen Wert der Güte Q und somit eine gute Selektion
bzw. Trennschärfe, so ist jedoch die Bandbreite zu gering, um den Qualitätsansprüchen in der
Übertragung zu genügen. Hat ein Resonanzkreis einen geringen Wert der Güte, so erfüllt er die
Bedingung einer großen Bandbreite. Er kann jedoch andere Sender gegenüber dem zu
empfangenden nicht ausreichend unterdrücken bzw. selektieren.
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Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
Um beide Bedingungen – ausreichende Bandbreite und gute Selektion – zu erfüllen, verwendet man
Bandfilter. Diese bestehen aus zwei (oder mehreren) miteinander gekoppelten
Parallelresonanzkreisen. Die Kopplung, d.h. die Übertragung der Energie vom ersten zum zweiten
Filterkreis, geschieht entweder über das magnetische Feld (Bild 1.6: Magnetische Kopplung) der
Resonanzkreisspulen oder mit Kondensatoren. Koppelkondensatoren verbinden entweder die oberen
Schaltungspunkte der Filterkreise (Bild1.7: Kopfpunkt-Kopplung) oder die unteren Schaltungspunkte
(Bild 1.8: Fußpunktkopplung).
Der Kopplungsfaktor k gibt etwa an, wie groß das Verhältnis der im zweiten Filterkreis wirksamen
Energie zu der in den ersten Kreis eingespeisten Energie ist. Für die in der Praxis häufig
vorkommende Kopfpunktkopplung gilt für gleich große Werte der Kreiskapazitäten C:
k
= C K (5)
C
Die Stärke der Kopplung der beiden Filterkreise wird bei kapazitiver Kopplung durch den Wert des
Koppelkondensators und bei transformatorischer Kopplung durch die Entfernung der beiden
Kreisspulen voneinander bestimmt [3].
CK
C
C
C
C
Bild 1.7 Kapazitive Kopfpunktkopplung CK ‹‹ C
Bild 1.6 Magnetische Kopplung
C
C
CK
Bild 1.8 Kapazitive Fußpunktkopplung CK ›› C
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Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
Die Form der Durchlasskurve ist sowohl vom Kopplungsfaktor k als auch von der Dämpfung d der
Resonanzkreise abhängig. Wird die Kopplung vergrößert, so wird auch die Ausgangsspannung höher,
da mehr Energie übertragen wird. Wird dagegen die Dämpfung d der Kreise vergrößert, so wird die
Ausgangsspannung geringer und der Verlauf der Durchlasskurve flacher. Das Verhältnis vom
Kopplungsfaktor k zur Dämpfung d bestimmt den Verlauf der Durchlasskurve.
Die Kopplungsarten:
a) Bei geringer bzw. unterkritischer Kopplung,
k
< 1,
d
ist die Ausgangsspannung gering, ebenso die Bandbreite. Diese Kurve zeigt jedoch eine gute
Selektion.
k
= 1 , haben Kopplungsfaktor und Dämpfung den gleichen Wert.
d
b) Bei kritischer Kopplung,
Hier zeigt die Durchlasskurve gerade noch keine Einsattelung und hat dabei ein Optimum an
Bandbreite und Selektion. Die Bandbreite beträgt hierbei das
c) Bei sehr starker bzw. überkritischer Kopplung,
2 -fache des Einzelkreises.
k
> 1 , ist der Kopplungsfaktor größer als
d
die Dämpfung. Bei der Resonanzfrequenz bewirkt die große Resonanzstromstärke im
zweiten Filterkreis über das magnetische Gegenfeld eine Bedämpfung des ersten Kreises, so
dass eine Einsattelung der Durchlasskurve entsteht. Damit der Sattelpunkt nicht tiefer als die
Bandbreitenspannung
U
B
=
2
[mV ] sinkt, muss k < 2,4 gelten [3].
d
2
U
a) unterkritische Kopplung
b) kritische Kopplung
c) überkritische Kopplung
a
b
c
f0
f
Bild 1.9 Bandfilterdurchlasskurven
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Versuch 1
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2. Versuchsdurchführung
2.1 Verwendete Geräte
Als Signalquellen dienen:
-
Signalgenerator Rohde & Schwarz SMG, (100 – 1000 kHz)
Funktionsgenerator Rohde & Schwarz AFG, (10 MHz – 20 MHz)
Für die Auswertung des NF-Signals werden genutzt:
-
Digital –Oscilloscope HAMEG HM 408 mit Tastkopf 10:1,
Graphic – Printer HAMEG HD 148
Als Spannungsversorgung der Schaltung:
- HAMEG HM 8142
Zur Überwachung der Spannungsversorgung
-
Drehspulinstrument Elavi 4
Zum Abgleich der Filter:
-
Drehspulinstrument UNIGOR 6e
2.2 Die Schaltungsbeschreibung
Die Schaltung ist bereits nach Bild 2.1 aufgebaut. Über den Kondensator C3 wird die
Eingangsspannung dem Mischer zugeführt und mit dem Potentiometer P 1 der Arbeitspunkt des
Transistors T 1 in der Mischstufe eingestellt.
Die Schaltung zwischen dem Kollektor von T 1 und der Diode D1 stellt den ZF-Verstärker dar. Dieser
wird mit den beiden Bandfiltern Fi 1 und Fi 2 auf die ZF-Frequenz von 460 kHz abgeglichen.
Mit P 2 wird der Arbeitspunkt des Transistors T 2 eingestellt. Die Diode D1 stellt den Demodulator dar,
C15 den Ladekondensator für die NF. Die Siebkombination aus R11 und C17 hat Tiefpassverhalten,
so dass am Ausgang der Schaltung an R11 das reine NF-Signal anliegt.
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Bild 2.1
Versuch 1
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2.3 Statischer Abgleich der Schaltung
2.3.1 Statischer Abgleich bei unterkritischer Kopplung
Bitte nehmen Sie folgende Einstellungen am Messsender (SMG) vor:
HF Pegel UE : 200µV
Bandmittenfrequenz: 460 kHz
Im ersten Schritt soll ein statischer Abgleich mit unterkritischer Kopplung an den Bandfiltern des ZFVerstärkers durchgeführt werden. Am Signaleingang E wird ein Sinussignal mit 460 kHz angelegt und
das Drehspulinstrument (UNIGOR 6e) am MP 1 gegen Masse angeschlossen.
Nun wird die kapazitive Kopplung mit den Trimmkondensatoren C8 und C13 auf Minimum gestellt.
Jetzt sind die vier Kerne der beiden Filter so abzutrimmen, dass jeweils ein Maximum an dem
Drehspulinstrument angezeigt wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn man das Einstellen der einzelnen
Kerne nacheinander von Kern 1 des Filters 1 bis hin zu Kern 4 des Filters 2 vornimmt. Achten Sie
darauf, dass der Messbereich des Drehspulinstrumentes so gewählt ist, dass man immer im letzten
Drittel der Skala misst, um eine möglichst hohe Anzeigegenauigkeit zu erzielen. Nach dem
erfolgreichen Abgleich der Filter ist der ZF-Verstärker mit minimaler kapazitiver Kopplung abgeglichen.
2.3.2 Maximaler Abgleich bei unterkritischer Kopplung
Der Abgleich soll nun mit maximaler kapazitiver Kopplung wiederholt werden, hierbei sind zuerst die
beiden Trimmkondensatoren C8 und C13 auf Maximum zu stellen. Durch die starke Kopplung
beeinflussen sich nun allerdings Primär- und Sekundärkreis der Filter so stark, dass man kein
eindeutiges Maximum mit dem unter 2.3.1 beschriebenen Verfahren einstellen kann. Daher ist es
notwendig, jeweils einen Kreis des Filters durch einen ohmschen Widerstand zu bedämpfen. Hierbei
geht man wie folgt vor:
Zum Abgleich des Primärkreises des Filters 1 ist somit R4 parallel zum Sekundärkreis des Filters 1 zu
legen, um diesen zu bedämpfen (Brücke Br_2 einstecken). Jetzt ist es möglich, ein eindeutiges
Maximum am Primärkreis des Filters einzustellen. Wenn man das Maximum eingestellt hat, trennt
man wieder die Brücke 2 auf und bedämpft nun den Primärkreis des Filters 1 durch das Einstecken
der Brücke Br_1 mit dem Widerstand R2. Jetzt kann am Sekundärkreis des Filters ein Maximum
eingestellt werden, ebenso geht man nun beim Filter 2 vor. Hierzu werden nacheinander die Brücken
Br_4 und Br_3 gesteckt und somit die Widerstände R8 und R7 parallel geschaltet.
Wenn beide Maxima am Filter 2 eingestellt sind, ist der ZF-Verstärker statisch auf ein Maximum
abgeglichen.
Jetzt muss der HF-Pegel UE am Messsender so eingestellt werden, dass sich am MP 1 des ZFVerstärkers eine Ausgangsspannung von 1 Volt einstellt. Diese Einstellung gilt für den gesamten
weiteren Messverlauf.
Messen Sie nun das Signal an dem MP 1 und am Widerstand R8 mit dem Digital Oszilloskop HM 408.
Die dafür nötigen Einstellungen am HM 408 entnehmen Sie bitte dem Anhang.
Welche Aussage können Sie über den Signalverlauf treffen?
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2.4 Dynamischer Abgleich der Schaltung
Mit dem unter 2.3 beschriebenen Abgleichverfahren wurde immer nur bei der Mittenfrequenz der
Bandfilter gearbeitet. Dieses Verfahren liefert keine Aussage, ob der ZF-Verstärker einwandfrei
selektiv arbeitet und die geforderte Bandbreite besitzt. Das dynamische Verfahren hat den Vorteil,
dass man das Signal quantitativ einstellen kann, da es während des Abgleichs auf dem Oszilloskop Schirm sichtbar ist und man so die Kurve anpassen kann.
Um dieses Verfahren durchführen zu können, muss zusätzlich zu der festen Bandmittenfrequenz ein
ganzes Frequenzspektrum „gewobbelt“ werden. Der so genannte Wobbelgenerator
(Funktionsgenerator AFG) ist bereits über den SMG an den Eingang E der Schaltung angeschlossen.
Er liefert eine HF-Spannung, deren Frequenz den gesamten Durchlassbereich des ZF-Verstärkers
überstreicht und sich mit der Wobbelfrequenz zwischen einer Minimal- und einer Maximalfrequenz
ändert, welche um die Bandmittenfrequenz von 460 kHz liegt. Der Frequenzhub gibt die Größe der
Frequenzänderung an und lässt sich am AFG einstellen.
2.4.1 Wobbeln des statisch abgeglichenen ZF-Verstärkers
Bitte nehmen Sie die folgenden Einstellungen an den Messsendern vor:
SMG:
HF-Pegel UE : Einstellung nach 2.3.2
Bandmittenfrequenz: 460 kHz
Frequenzhub: 25 kHz
Modulation: Frequenzmodulation extern DC (FM / DC)
AFG:
Wobbelspannung Sägezahn: 1 V (Spitze-Spitze)
Modulation: Dreieck / Triangel
Frequenz: 25 Hz
Symmetrie: 5 %
I. Nehmen Sie die HF-Durchlasskurve am Messpunkt R8 mit dem digitalen Oszilloskop HM 408
auf, drucken Sie die Kurve mit dem HD 148 aus und erläutern Sie ihre Form. Die
erforderlichen Einstellungen am HM 408 finden Sie im Anhang I.
Signalparameter:
CH 1 -Volt/Div.: 50mV
CH 2 -Volt/Div.: 1V
Timebase –Sec./Div.: 5ms
Bild 2.2
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II. Wiederholen Sie diese Messung an dem Messpunkt 1 (MP1) und drucken Sie erneut die
Kurve aus. Wie kommt die Änderung der Kurve zustande?
Signalparameter:
CH 1 -Volt/Div.: 20mV
CH 2 -Volt/Div.: 1V
Timebase –Sec./Div.: 5ms
Bild 2.3
III. Jetzt wiederholen Sie die Messung an dem NF-Ausgang. Drucken Sie erneut die beiden
Kurven aus und erläutern Sie Ihre Messergebnisse. Wozu dienen der Widerstand R11 und der
Kondensator C17?
Signalparameter:
CH 1 -Volt/Div.: 20mV
CH 2 -Volt/Div.: 1V
Timebase –Sec./Div.: 5ms
Bild 2.4
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IV. Belassen Sie das Oszilloskop am NF – Ausgang, stellen sie jetzt folgende drei
Kopplungsarten am ZF –Verstärker über die Filter und die Trimmer C8 und C13 ein.
¾
Unterkritische Kopplung:
Signalparameter:
CH 1 -Volt/Div.: 10mV
CH 2 -Volt/Div.: 1V
Timebase –Sec./Div.: 5ms
Einstellung Drehkondensatoren :
C8: 4
C13: 2
Bild 2.5
¾
Kritische Kopplung
Signalparameter:
CH 1 -Volt/Div.: 10mV
CH 2 -Volt/Div.: 1V
Timebase –Sec./Div.: 5ms
Einstellung Drehkondensatoren :
C8: 1,5
C13: 2
Bild 2.6
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Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
¾
Überkritische Kopplung
Signalparameter:
CH 1 -Volt/Div.: 5mV
CH 2 -Volt/Div.: 1V
Timebase –Sec./Div.: 5ms
Einstellung Drehkondensatoren :
C8: min.
C13: min.
Bild 2.7
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Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
3. Nachbearbeitung
Verständnisfragen:
I. Erklären Sie, warum unter 2.3 ein analoges Drehspulinstrument zum Abgleich verwendet wird.
II. Erklären Sie die Begriffe Flankensteilheit und Bandbreite.
III. Von welchen Größen sind Bandbreite und Flankensteilheit abhängig?
IV. Welche Anwendung finden die drei unterschiedlichen Kopplungsverfahren?
V. Warum sind Bandfilter bei der Selektion von Frequenzbändern Resonanzkreisen überlegen?
VI. Wozu dient im Abschnitt 2.4 der Frequenzgenerator (AFG)? Könnte der Messaufbau auch
ohne diesen realisiert werden ?
VII. Was versteht man unter dem Begriff „wobbeln“?
.
ANHANG I
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Einstellungen am HM 408 Digitaloszilloskop :
Für Abschnitt 2.3.2
HM 408 im Analog Betrieb
Kanal A / Y-Eingang: R 8
Horizontale Zeitbasis
50 mV DC
MP 1
10 mV DC
TB:
0,5 µs
Für Abschnitt 2.4
HM 408 im Digital- /Speicher- Betrieb
Kanal A / Y-Eingang: MP R8:
50mV DC
MP 1 und NF Ausgang:
20mV DC
Unterkritisch
10mV DC
Kritisch
10mV DC
Überkritisch
Horizontale Zeitbasis
TB:
Triggerverzögerung:
Trig. Del.:
Zeitbasis Triggerbetrieb: TB Trig. Mode:
Triggerquelle:
Trigger or Source
Triggerkopplung:
Trig. Coupl.:
5mV DC
5ms
0 DIV
Auto
extern DC
DC
Das Digitaloszilloskop HM 408 muss bei den Messungen im Abschnitt 2.4 extern über den FunktionsGenerator AFG getriggert werden. Hierzu wird der 50 Ohm Ausgang des AFG über ein T-Stück mit
dem FM/EXT Eingang des Signalgenerators verbunden. Auf der zweiten Seite des T-Stücks wird das
HM 408 über Kanal 2 mit dem externen Triggereingang verbunden.
TRIG.INP.
AFG
50Ω
CH1
CH 2
HM 408
SMG
RF FM EXT
AM-Mischstufe + ZF Verstärker
Eingang E
Ausgang NF
ANHANG II
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Versuch 1
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Spannungspegel
Die Spannung hat wie bekannt die Einheit Volt (V), daher werden Spannungspegel in der
logarithmischen Größe dB Volt (dB V) bezogen auf Volt angegeben.
~
Es gilt für hohe Pegel:
U / dB _ V = 20 log
≈
Und für kleine Pegel :
U / db _ V = 20 log
U
1V
U
1µV
Es ist zu beachten, dass die Spannung quadratisch in die Leistungsverstärkung eingeht; darum
„20 log x“. Die Umrechnung zwischen diesen beiden logarithmischen Spannungseinheiten erfolgt mit
der Formel [4]:
≈
~
U / dB _ µV = U / db _ V + 120dB
Spannung U
in V
1V
100 mV
10 mV
1 mV
100 µV
10 µV
8 µV
5 µV
4 µV
2,5 µV
2 µV
1 µV
Spannung U’
in dB V
0 dB V
-20 dB V
-40 dB V
-60 dB V
-80 dB V
-100 dB V
-102 dB V
-106 dB V
-108 dB V
-112 dB V
-114 dB V
-120 dB V
Spannung U’
in dB µV
120 dB µV
100 dB µV
80 dB µV
60 dB µV
40 dB µV
20 dB µV
18 dB µV
14 dB µV
12 dB µV
8 dB µV
6 dB µV
0 dB µV
Tabelle A1
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Versuch 1
Zwischenfrequenz - Verstärker
Literatur
[1]
[2]
[3]
[4]
Geißler, R., Kammerloher, W., Schneider, H.W., Berechnungs- und Entwurfsverfahren der
Hochfrequenztechnik, Band 1; Vieweg- Verlag 1993
Meinke, H.H., Gundlach, F.W., Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 5. Auflage; SpringerVerlag 1992
Jansen, H., Rötter, H., Telekommunikationstechnik, 3. Auflage; Europa-Verlag 1988
Steffen, A ; Skript zur Vorlesung Signale und Übertragung, Hochschule Winterthur Zürich,
2003
© 2005 Christian Priester
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