Abstract
In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines echten, rauscharmen, logarithmischen Spannungsverstärkers mit mehr als 80 dB Dynamikumfang für Raumfahrtanwendungen beschrieben. Angefangen von der theoretischen Betrachtung von analogen Verstärkergrundschaltungen werden die 3 meistverwendeten Schaltungstopologien zur Approximation von logarithmischen Übertragungsverläufen analysiert und für den Einsatz des zu entwerfenden Verstärkers bewertet. Mithilfe dieser Topologien wird die logarithmische Übertragungsfunktion durch lineare Approximation nachgebildet.
Nach der Wahl der geeigneten Topologie wird ein mathematischer Vergleich herangezogen, der die Differenz der sukzessiven Approximation zu einer idealen logarithmischen Kennlinie untersucht. Es wird festgestellt, dass ab 10 Stufen die Differenz für den betrachteten Ausgangssignalbereich von 10 µV bis 1 V stets \textless 1 dB ist. Im nächsten Schritt wird die Funktionen für eine Stufe abgeleitet, Kriterien zur Dimensionierung der Bauelemente aufgestellt und durch Unterteilung in Subschaltungen umgesetzt.
Eine Stufe besteht aus einem Kernverstärker, dessen Aufgabe es ist, das Eingangssignal stets mit einem Faktor von 2,49 zu verstärken und einem Limitierer, der diese Verstärkung auf einen Eingangssignalbereich von 0,1 V begrenzt.
Der finale Entwurf des Verstärkers in CMOS-Technologie aus 10 Stufen, die in der Parallel-Summation-Topologie realisiert ist, deckt sich sehr gut mit der mathematischen Approximation. Abweichungen sind auf \textless 0,3 dB beschränkt.
Im betrachteten Frequenzbereich von 7 Hz- 300 kHz weist eine Stufe ein eingangsbezogenes Rauschen von 23,4 µVrms bei einer Gesamtleistungsaufnahme von 44,45 mW auf.
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