Elektrische Nachrichtentechnik

DR.-ING. HEINRICH SCHRÖDER
Dozent
D I P L - I N G . GERHARD FELDMANN
D o z e nt
DR.-ING. GÜNTHER ROMMEL
Dozent
Elektrische Nachrichtentechnik
III. Band
GRUNDLAGEN DER IMPULSTECHNIK
UND IHRE ANWENDUNG
BEIM FERNSEHEN
HÜTHIG UND PFLAUM VERLAG GMBH & CO FACHLITERATUR KG
MÜNCHEN / HEIDELBERG
INHALT
A. Grundlagen der Impulstechnik
1. Impulse, ihre Übertragungsschaltungen und Verzerrungen
1. G r u n d b e g r i f f e
a) Grenzfrequenz, Zeitkonstante und Impulsanstiegzeit
b) Endliche Flankensteilheit und Dachschräge
c) Hochpaß- u n d Tiefpaßschaltungen
17
. . .
2. E i n f a c h e S c h a l t v o r g ä n g e
a) Schaltvorgänge an RC- u n d RL-Gliedern
oe) Einzelimpuls
Erzeugung eines Impulses
Abhängigkeit der Impulsform vom Verhältnis T/(J
Flankensteilheit und Zeitkonstante
RC- und CR-Schaltungen bei Ansteuerung mit exponentiell und
linear sich ändernden Spannungen
ß) Periodische Impulse
CR-Sehaltung
RC-Schaltung
b) Differenzierende und integrierende Schaltungen
a) Differenzierglieder .
ß) Integrierglieder
•y) Anwendungen
17
19
20
21
21
23
23
26
30
38
42
42
44
46
46
51
53
c) Ohmscher Spannungsteiler mit teilweiser kapazitiver Überbrückung
55
d) Kapazitiver Spannungsteiler mit teilweiser ohmscher Überbrückung
62
e) Kompensierter Spannungsteiler
64
7
IL Impulsverstärker
1. L i n e a r v e r s t ä r k e r , V e r s t ä r k e r f ü r d i g i t a l e
anlagen, Operationsverstärker
Rechen.
2. R ö h r e n v e r s t ä r k e r
69
70
a) Statische R ö h r e n k a p a z i t ä t e n
70
b) Einstufiger Verstärker in normaler Katodenbasisschaltung
71
a)
ß)
y)
ö)
e)
f)
W i r k u n g einer anodenseitigen Belastungskapazität . . .
Wirksame Gitter/Anoden-Kapazität
Einfluß des Katodenkondensators
Einfluß des Schirmgitterkondensators
Einfluß des Siebkondensators
Z u s a m m e n h a n g zwischen Verstärkung u n d Anstiegzeit .
c) K a t o d e n v e r s t ä r k e r
71
75
78
80
80
81
83
ct.) Verstärkung u n d Eingangswiderstand
ß) Arbeitspunkt u n d Aussteuerungsbereich des einfachen
Katodenfolgers
y) Erweiterung des Aussteuerungsbereichs
Abstützen des Katodenwiderstands an negativer Hilfsspannungsquelle
Hochziehen des Gitters
Entwurf eines Katodenfolgers mit der unteren Grenzfrequenz
Null
83
85
88
88
93
97
8) Wirksame Eingangskapazität
102
e) Katodenfolger mit kapazitiver Belastung
104
£) Katodenverstärker m i t gesteuerter Katodenwiderstandsröhre (White-Katodenfolger)
114
d) Katodengekoppelte Verstärker
122
a) Katodengekoppelter Verstärker als Grundelement eines
Linearverstärkers m i t der unteren Grenzfrequenz Null . 122
ß) Symmetrie u n d Verstärkung
126
y) Katodengekoppelte Verstärker als Differenzverstärker . . 130
e) Eisenlose Ausgangsstufe
137
3. T r a n s i s t o r v e r s t ä r k e r
146
a) Verhalten des Transistors bei hohen Frequenzen
a) Ersatzschaltbild des Transistors nach Giacoletto
ß) Grenzfrequenzen
Grenzfrequenz fß
Grenzfrequenz fx
Transitfrequenz / T oder ß = 1 -Frequenz fß^
Steilheitsgrenzfrequenz / y 2 1 e oder / y f e
8
146
. . . .
146
152
152
154
155
156
y) Vierpoldarstellung des Transistors mit Leitwertparametern
Betrieblicher Eingangsleitwert y^ b e t r = ix\ux
Betrieblicher Ausgangsleitwert yQ b e t r = ä2/u2
Betriebliche Strom-, Spannungs- und Leistungsverstärkung . .
158
160
160
161
ö) Zusammenhang zwischen den Größen des physikalischen
u n d des Vierpol-Ersatzschaltbildes
162
b) Lineare Impulsverstärker m i t Transistoren
165
a) Breitbandverstärker in Emitterschaltung
ß) Transistorverstärker m i t Gegenkopplung
165
176
Verbesserung der Konstanz der Verstärkung durch Gegenkopplung
176
Grundschaltungen der Gegenkopplung
178
Stromgegengekoppelte Transistorstufe
181
Spannungsverstärkung vu
182
Stromverstärkung vt
183
Eingangswiderstand E-m
184
Ausgangsseitiger Innenwiderstand R0
184
Einfluß des Generatorwiderstands BG
185
Transistorstufe mit Spannungsgegenkopplung nach Bild
120(b)
187
Eingangswiderstand Hin
189
Stromverstärkung v'{
190
Spannungsverstärkung v'n
191
Ausgangsseitiger Innenwiderstand R'0
191
y) Transistorverstärkerstufe in Kollektorschaltung
. . . .
Einfacher Emitterfolger
Allgemeine Eigenschaften
Ubertragungs- und Betriebsgleichungen des einfachen Emitterfolgers
Betriebsstromverstärkung
Betriebsspannungsverstärkung
Betrieblicher Eingangswiderstand
Betrieblicher ausgangsseitiger Innenwiderstand
Ermitteln der elektrischen Daten eines einfachen Emitter folgers
Einfacher Emitterfolger mit Hilfsspannung . ,
Emitterfolger mit erhöhtem Eingangswiderstand (BootstrapVerstärkerstufe)
Allgemeine Eigenschaften
Ubertragungs- und Betriebsgleichungen
Ermitteln der Betriebsdaten für die Schaltung nach Bild 136
Kaskadenschaltung (Darlington-Schaltung)
Emitterfolger bei kapazitiver Belastung und Impulsbetrieb . .
Verhalten bei kleinen Steuerspannungen
Verhalten bei großen Steuerspannungen
193
193
193
194
196
196
197
197
199
206
210
210
212
214
219
222
223
225
9
V.
d) Zweistufiger Gleichspannungsverstärker ab 0 Hz
Schaltungsaufbau
Eigenschaften der Schaltung
Spannungsverstärkung v'H = U2/U1
Spannungsverstärkung »J = UJU0
Stromverstärkung v? = Ijl1
Eingangswiderstand S"a
Ausgangsseitiger Innenwiderstand R'0
. . . .
e) Emittergekoppelte Verstärker
Schaltungsaufbau
Eigenschaften
Emittergekoppelte Verstärker als Differenzverstärker
232
232
233
233
234
234
235
235
240
240
242
249
. . . .
III. Transistoren im Schalterbetrieb
1. „ E i n " - u n d „ A u s " - S t e l l u n g e i n e s S c h a l t t r a n s i s t o r s
2. D y n a m i s c h e s S c h a l t v e r h a l t e n d e s T r a n s i s t o r s
. 257
. . . 259
a) Verhalten ohne Sättigung
a) Stromeinspeisung
ß) Spannungseinspeisung
260
260
263
b) Verhalten bei Sättigung
<x) Stromeinspeisung mit Sättigung
ß) Spannungseinspeisung mit Sättigung
266
268
270
3. V e r b e s s e r u n g e n
transistors
im
Schaltverhalten
a)
b)
c)
d)
eines
Schalt-
Vorgeschaltetes RC-Glied
Diodengegenkopplung zur Verhinderung der Übersteuerung
Schalttransistoren bei kapazitiver Belastung
Transistorverlustleistungen im Impulsbetrieb bei reeller,
kapazitiver u n d induktiver Belastung
e) Datenmäßige Auslegung einer Schalttransistorstufe
. . .
272
272
275
279
287
288
a) Allgemeine A n n a h m e n
288
ß) Aufbau der Schaltung u n d Entwicklung der Berechnungsformeln
290
IV. Nichtlineare Impulsformung
1. D i o d e n i n d e r I m p u l s t e c h n i k
a) Allgemeine Eigenschaften der Diode
b) Impulsverhalten der Diode
2. B e g r e n z e r s c h a l t u n g e n
a) Diodenbegrenzer
oe) Verschiedene Schaltmöglichkeiten
10
299
299
302
305
306
306
ß) Diodenbegrenzer bei kapazitiver Belastung und Impulsbetrieb
312
y) Begrenzung durch eine Z-Diode
315
d) Clipperschaltungen
315
b) Triodenbegrenzer
316
c) Pentodenbegrenzer
319
d) Begrenzer mit Transistoren
322
e) Katodengekoppelte Röhrenverstärker als zweiseitige Begrenzer
326
f) Emittergekoppelte Transistorverstärker als zweiseitige Begrenzer
332
3. K l a m m e r s c h a l t u n g e n ( C l a m p s )
a) Klammerschaltungen ohne Vorspannung
338
341
b) Klammerschaltungen mit Vorspannung
346
c) Fremdgesteuerte Klammerschaltungen
347
V. Impulserzeugung
1. S p e r r s c h w i n g e r ( B l o c k i n g G e n e r a t o r e n )
349
a) Transistorsperrschwinger
<x) Freilaufender Sperrschwinger
ß) Fremdgesteuerter Sperrschwinger
350
351
359
b) Röhrensperrschwinger
359
c) Anwendungen des Sperrschwingers
361
2. M u l t i v i b r a t o r e n
a) Astabile oder freikippende Multivibratoren
365
365
<x) Astabile Multivibratoren mit Transistoren
Wirkungsweise
Bemessen eines einfachen astabilen Multivibrators
Verbesserungen an der Multivibratorschaltung
366
366
374
376
ß) Astabile Multivibratoren mit Röhren
Grundsehaltung
Arbeitsweise und Entwurf eines astabilen Röhrenmultivibrators
378
378
380
b) Stabile, metastabile u n d labile Zustände in Multivibratorschaltungen
387
c) Monostabile Multivibratoren (Univibratoren, Monoflops)
<x) Monostabile Multivibratoren mit Transistoren
Arbeitsweise
Berechnung und Bemessung
Triggerung
Anwendungen des Univibrators
. 388
388
388
392
398
400
11
ß) Monostabile Multivibratoren mit Bohren
401
Anodengekoppelte monostabile Multivibratoren
401
Katodengekoppelte monostabile Multivibratoren
403
Katodengekoppelter monostabiler Multivibrator als Impulslängenmodulator
413
d) Bistabile Multivibratoren (Flipflops)
414
a) Bistabile Multivibratoren m i t Transistoren
Schaltung und Wirkungsweise
Berechnung und Bemessung .
Dynamisches Verhalten
Triggerung
Asymmetrische Ansteuerung
Symmetrische Ansteuerung
415
415
417
425
427
428
428
ß) Bistabile Multivibratoren m i t Röhren
Schaltung und Wirkungsweise
Berechnung und Bemessung
Triggerung
432
432
433
438
e) Schmitt-Trigger
440
x) Schmitt-Trigger mit Transistoren
441
Arbeitsweise
441
Anforderungen an den Signalquelleninnenwiderstand
449
Anwendung
451
Bemessen der Schaltungen nach Bild 294 und Bild 299 . . . 452
Berechnen und Bemessen der Schaltung nach Bild 301 . . . 458
Verbesserungen am Schmitt-Trigger
461
ß) Schmitt-Trigger m i t Röhren
3. S ä g e z a h n g e n e r a t o r e n
a) Grundlagen
466
466
a) Prinzip des Sägezahngenerators
467
ß) Nichtlinearität der Sägezahnspannung
468
b) Konstantstromladeschaltung
473
c) Verfahren der „mitlaufenden" Spannung
482
d) Bootstrap-Schaltung
484
a.) Bootstrap-Schaltung m i t Röhren
485
ß) Bootstrap-Schaltung mit Transistoren
488
e) Miller-Schaltung
a) Grundlagen
ß) Technische Verwirklichung der Miller-Schaltung . . . .
y) Miller-Schaltung m i t Röhren
Wirkungsweise
•
Auslegung für fallenden Sägezahn
Bremsgittergesteuerte Miller-Schaltung
Steigende Sägezahnspannungen
. .
12
464
492
492
497
498
498
503
507
508
<5) Miller-Schaltung mit Transistoren
514
Wirkungsweise
514
Verbesserung der Miller-Schaltung mit Transistoren
522
Miller-Schaltung mit Ausgangsstufe in Kollektorschaltung . . 529
Steuerung der Miller-Schaltung über Schalttransistoren. . . . 5 3 1
TL Begriffe und Berechnungsverfahren zum Impulsverhalten linearer
Schaltungen
1. B e s t i m m u n g d e s A u s g a n g s s i g n a l s e i n e r
für ein b e l i e b i g e s E i n g a n g s s i g n a l m i t
Übergangsfunktion
Schaltung
Hilfe der
536
a) Verfahren
536
b) Anwendungen des Verfahrens
542
a) RC- u n d CR-Schaltungen
ß) Periodische Impulse
542
545
2. B e s t i m m u n g d e s A u s g a n g s s i g n a l s e i n e r S c h a l t u n g
für ein beliebiges E i n g a n g s s i g n a l m i t Hilfe der
Übertragungsfunktion beziehungsweise der Spektralfunktion
549
a) Verfahren
549
a) Herleitung des Verfahrens u n d seine E r p r o b u n g an einfachen u n d komplizierteren Schaltungen
549
ß) Zuordnung von Übertragungsfunktion u n d Einheitsstoß antwort, Fourier-Transformation
558
y) Zeitgesetz der Nachrichtentechnik
570
b) Technische Anwendungen des Verfahrens
a)
ß)
y)
d)
573
Spannungsteiler im Tastkopf eines Oszillografen . . . .
Schalten von Wechselspannungen
Schwingungsmodulation
Abtasttheorem der Spektralfunktion u n d der Zeitfunktion
3. K o m p l e x e F r e q u e n z
573
574
577
587
591
a) Definitionen u n d Begriffe .
591
b) Anwendungsbeispiele
599
a) Zweikreisiges symmetrisches Bandfilter
599
ß) Qualitativer Z u s a m m e n h a n g zwischen Eigenfrequenzen,
F o r m der Stoßantwort u n d Frequenzgang einer Schaltung 606
y) Selbsterregte Schwingungen
607
4. T a b e l l e v o n Z u o r d n u n g e n z w i s c h e n
und Frequenzfunktionen
Zeitfunktionen
610
13
B. Anwendungen der Impulstechnik auf Probleme der Fernsehübertragung
I. Rastertechnik
1. T r ä g h e i t d e s m e n s c h l i c h e n A u g e s a l s V o r a u s s e t z u n g
für die B i l d z e r l e g u n g
2. V o r g ä n g e a u f d e r A u f n a h m e s e i t e
3. M e c h a n i s m u s d e r Ü b e r t r a g u n g
4. V o r g ä n g e a u f d e r W i e d e r g a b e s e i t e
5. E n t s t e h u n g d e s B i l d r a s t e r s
6. Z w i s c h e n z e i l e n - o d e r Z e i l e n s p r u n g v e r f a h r e n . . . .
7. Z e i l e n z a h l
8. Z e i l e n - u n d B i l d r ü c k l a u f
9. D u n k e l s t e u e r u n g
10. B e m e s s e n e i n e s R a s t e r g e n e r a t o r s
a) Horizontaler und vertikaler Sägezahngenerator
b) Phasenumkehrstufe
c) Horizontaler u n d vertikaler Austastgenerator
d) Mischen u n d Begrenzen der Austastimpulse
e) Katodenfolger als Endstufe
613
614
615
616
617
619
621
623
623
624
625
634
636
640
644
II. Signalaufbereitung
1. T r i g g e r n u n d S y n c h r o n i s i e r e n
653
2. H e l l i g k e i t s m o d u l a t i o n d e r B i l d r ö h r e
a) Steuerungsmöglichkeiten der Bildröhre
b) Signalspannung am Steuergitter g l
c) Signalspannung an der K a t o d e
d) RC-Ankopplung
e) Ansteuerung der Farbfernsehbildröhre
654
654
658
662
666
668
3. F e r n s e h s i g n a l
a) Bildinhalt (B-Signal)
b) Austastimpulse
c) Synchronisierimpulse
672
672
674
675
4. G e t a s t e t e R e g e l s p a n n u n g s e r z e u g u n g .
a) Gesteuerter Widerstand
b) Taststufe mit Transistor
c) Taststufe mit Röhre
d) Prinzip u n d Schaltungsauslegung der nÜberlaufdiode"
e) Koinzidenzschaltung als Taststufe
678
681
686
687
. . 688
690
5. I m p u l s a b t r e n n u n g
692
a) Einpendeln einer Impulsreihe in Abhängigkeit vom Tastverhältnis TV u n d von der Zeitkonstante T
696
14
b) Berechnen und Bemessen eines Amplitudensiebs
698
6. S t ö r a u s t a s t u n g u n d S t ö r i n v e r t e r
702
a) Arbeitsweise der Störaustastung
704
b) Gewinnung des Austastimpulses aus dem Videosignal durch
Amplitudenselektion
706
c) Störinverter
711
d) I m p u l s a b t r e n n u n g in integrierten Schaltungen
.712
7. I m p u l s t r e n n u n g
a) Differenzierglieder zur I m p u l s t r e n n u n g
b) Integrierglied als Impulsbreitendiskriminator
c) Bedeutung der Ausgleichimpulse
d) Differenzierglied als Impulsbreitendiskriminator
714
714
719
721
724
8. W i e d e r g e w i n n u n g d e s G l e i c h s p a n n u n g s m i t t e l w e r t e s
a) Spitzenklemmung
b) Tastklemmung
e) Brücke als Schalter für die Tastklemmung
730
733
735
738
9. N a c h l a u f S y n c h r o n i s a t i o n
a) Einfache Phasenvergleichsschaltung
b) Vergleichsimpulse
c) Phasen- und Frequenzvergleichsschaltung
744
746
749
751
Schrifttum
756
Sachwörter
759
15