Modern communication systems are required to transmit a continuously
increasing amount of data. Therefore, weak signals have to be detected and
amplified. Today's signal amplifiers need to cover frequency ranges from
zero to several hundred MHz, i.e. multiple decades. Simultaneously, due to
high bandwidth requirement, stability of these amplifiers gets more and
more problematic in circuit design. Stability implies that an arbitrarily
stimulated amplifier is void of oscillation tendencies at its output
port.Stability is usually achieved by compensation of the circuit's
frequency response. Damping of the frequency range which tends to oscillate
is one option to assure stability. Feedback from the output to the input of
the circuit is reduced with this approach. However, the disadvantage of a
frequency-response compensated amplifier is an immensely decreased
bandwidth compared to the uncompensated circuit. The reason of this
degradation lies in the fashion of the compensation methodology.
Conventionally, the feedback loop is opened, and the frequency response is
investigated. If the criterion for instability, known from control theory,
becomes true within the frequency range of interest, the circuit is damped
until the stability condition is met. Typical applications are video-signal
amplifiers which need to provide a constant gain from 0 to several 100
MHz.Within this dissertation a methodological approach is presented which
computer-aidedly synthesizes frequency-compensation networks for
wideband-signal amplifiers. In contrast to the control-theory and open-loop
based approaches, the methodology introduced in this work is based on
eigenvalues and eigenvalue sensitivities, which are used to gain
conclusions about sophisticated compensation networks that are to be
inserted. Following, these networks are sized by means of mathematical
optimization, and, subsequently, their frequency responses are tuned with
modern circuit optimizers. The advantage of this method is that the final
circuits are designed for their particular applications, and, therefore,
bandwidths can be attained which are impossible to reach with conservative
approaches.The synthesis scheme is totally autonomous and can be used
without any expert knowledge about the circuits' properties. The
methodology is demonstrated with entire design of an industrial signal
amplifier for HDTV applications.Die moderne Kommunikationstechnik unterliegt der Forderung, immer größere
Datenmengen zu übertragen. Dabei werden z.B. von Sensoren sehr schwache
Signale aufgenommen, die anschließend verstärkt werden müssen. Die
Signalverstärker, die heutzutage dafür benötigt werden, müssen
Frequenzbereiche von Null bis zu mehreren hundert MHz und damit mehrere
Frequenzdekaden abdecken. Gleichzeitig wird aufgrund dieser
Bandbreitenforderung die Stabilität von Verstärkerschaltungen mit
zunehmender Frequenz zu einem Problem in der Schaltungstechnik. Stabilität
bedeutet im weitesten Sinne, dass ein Verstärker bei beliebiger Anregung
keine Schwingungsneigung am Ausgang zeigt.Üblicherweise wird Stabilität bei
Verstärkern dadurch erreicht, indem man den Frequenzgang kompensiert. Das
kann dadurch geschehen, dass der Frequenzbereich, in dem der Verstärker zu
Schwingungen neigt, durch Kompensationsnetzwerke bedämpft wird und damit
keine Anregung durch Rückkopplung auf den Eingang der Schaltung mehr
vorhanden ist. Der Nachteil, der dadurch erkauft wird, ist, dass die
Bandbreite eines frequenzgangskompensierten Verstärkers gegenüber der
unkompensierten aber instabilen Schaltung sehr stark verringert wird. Der
Grund dieser Verringerung liegt in der Art und Weise der
Kompensationsmethodik.Im Rahmen dieser Arbeit soll ein methodischer Ansatz
vorgestellt werden, der automatisch mit Hilfe des Rechners
Frequenzgangskompensationsnetzwerke für Breitband-Signalverstärker
synthetisiert. Diese Methodik basiert auf der Bestimmung von Eigenwerten
und Eigenwertempfindlichkeiten, aus denen Schlussfolgerungen über
einzubringende komplexe Kompensationsnetzwerke gezogen werden. Diese
Kompensationsnetzwerke werden anschließend mit den Methoden der
mathematischen Optimierung dimensioniert und nachträglich mit modernen
Schaltungsoptimierern frequenzgangsoptimiert. Der Vorteil des Verfahrens,
welches auch direkte Kompensation genannt wird, ist, dass die nun
kompensierte Verstärkerschaltung genau für ihren speziellen Anwendungsfall
konzipiert ist und somit Bandbreiten erreicht werden, die durch
konservative Ansätze nicht möglich waren.Das Syntheseverfahren läuft
vollautomatisch ab und kommt ohne Kenntnis der Eigenschaften der
Verstärkerstrukturen und ohne Expertenwissen aus. Die gesamte Methodik wird
anhand eines Komplettentwurfs eines industriell gefertigten
Signalverstärkers für HD-TV-Anwendungen demonstriert