Integrierte Schaltungen für Funkanwendungen - Cheatsheet

Einführung in Halbleitermaterialien und deren Eigenschaften

Definition:

Grundlagen und Eigenschaften von Halbleitermaterialien wie Silizium und Galliumarsenid für integrierte Schaltungen und Funkanwendungen.

Details:

• Halbleiter: Materialien, deren Leitfähigkeit zwischen Leitern und Isolatoren liegt.
• Wichtigste Halbleitermaterialien: Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs).
• Dotierung: Hinzufügen von Fremdatomen zur Erhöhung der Leitfähigkeit.
• n-Typ: Dotierung mit Elektronendonatoren (z.B. Phosphor).
• p-Typ: Dotierung mit Elektronenakzeptoren (z.B. Bor).
• Kennwerte: Leitfähigkeit \( \text{σ} \), Eigenleitfähigkeit, Bandlückenenergie \( E_g \).
• Silizium: Bandlückenenergie \( E_g = 1.12 \text{ eV} \).
• Galliumarsenid: Bandlückenenergie \( E_g = 1.43 \text{ eV} \).
• Anwendungen: Transistoren, Dioden, Integrierte Schaltungen (ICs).
• Charakterisierung: Temperaturabhängigkeit, Lebensdauer der Ladungsträger.

Grundlagen der drahtlosen Kommunikation

Definition:

Grundlagen der drahtlosen Kommunikation: Übertragung von Informationen über elektromagnetische Wellen ohne physische Verbindung.

Details:

• Fundamentale Prinzipien: Modulation, Demodulation, Frequenzbereichen
• Wichtige Kenngrößen: Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Bandbreite, Kanal-Kapazität
• Gesetz von Shannon-Hartley: \[C = B \log_2(1 + \frac{S}{N})\] \; C: Kanalkapazität, B: Bandbreite, \frac{S}{N}: Signal-Rausch-Verhältnis
• Multiplexing-Techniken: FDM, TDM, CDM
• Störungsquellen: Interferenzen, Signalabschwächung
• Antennentechniken: Richt- und Rundstrahlantennen

Techniken zur Frequenzsynthese

Definition:

Techniken zur Erzeugung einer Vielzahl von Frequenzen aus einer Referenzfrequenz.

Details:

• Phasenregelkreis (PLL): Regelkreis, der einen Oszillator steuert, um eine Ziel-frequenz zu erreichen
• Zähler: Frequenzteilung, multipliziert/dividiert die Referenzfrequenz
• Direkte digitale Synthese (DDS): Erzeugung von Frequenzen durch numerische Methoden
• Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO): Oszillator, dessen Frequenz durch eine Spannung gesteuert wird
• Sigma-Delta-Synthese: Verbesserung der Frequenzgenauigkeit durch Rauschformung und Filtern

Grundlagen des Verstärkerdesigns

Definition:

Grundlagen für die Gestaltung von Verstärkern in integrierten Schaltungen, insbesondere für Funkanwendungen.

Details:

• Hauptparameter: Verstärkung, Bandbreite, Linearität, Rauschverhalten, Stabilität und Leistungsaufnahme.
• Verstärkung: \(A_v = \frac{V_{out}}{V_{in}}\).
• Frequenzgang: Bestimmt durch Pole und Nullstellen der Übertragungsfunktion.
• Stabilität: Bode-Diagramm verwenden, Phasemarge beachten.
• Rauschen: Rauschfaktoren wie thermisches Rauschen, Schussrauschen, Flimmerrauschen.
• Lineare Verzerrung: Harmonics und Intermodulationen beachten.
• Unterschiedliche Verstärkertopologien: Differenzverstärker, Operationsverstärker, Transimpedanzverstärker.
• Parameteranpassung: Impedanzanpassung wichtig für maximale Leistung und minimalen Verlust.
• Stromversorgung: Optimierung für minimale Leistungsaufnahme und Effizienz.
• Nichtlineare Effekte: Zweite und dritte Harmonische analysieren.

Arten von Rauschen und deren Ursachen

Definition:

Arten von Rauschen und deren Ursachen – Überblick über die verschiedenen Rauschtypen in integrierten Schaltungen und deren Entstehung.

Details:

• Thermisches Rauschen: Entsteht durch thermische Bewegung der Elektronen. Formel: \( V_n = \sqrt{4kTR \Delta f} \)
• Schrotrauschen: Resultiert aus der diskreten Natur der Ladungsträger, besonders relevant bei Dioden und Transistoren. Formel: \( i_n = \sqrt{2qI \Delta f} \)
• 1/f-Rauschen: Auch Flickerrauschen genannt, nimmt mit abnehmender Frequenz zu. Ursache oft Materialdefekte und Oberflächenzustände.
• Phasenrauschen: Bezieht sich auf Frequenzschwankungen eines Oszillators. Relevanz für Taktgeneratoren und Kommunikationssysteme.

Digitalmodulationstechniken wie QAM und PSK

Definition:

Digitale Modulationstechniken wie QAM und PSK werden verwendet, um digitale Daten über analoge Kanäle zu übertragen.

Details:

• QAM (Quadraturamplitudenmodulation): Kombiniert Amplituden- und Phasenmodulation.
  • Symboländerungen: Änderung in Amplitude und Phase
  • Beispiel: 16-QAM - Modulation mit 16 verschiedenen Symbolen
  • Stern-Konstellation zur Visualisierung der Symbole
• PSK (Phasenmodulation): Verändert die Phase des Trägersignals.
  • BPSK (Binäre) - 1 Bit pro Symbol, zwei Phasen
  • QPSK (Quadratur) - 2 Bits pro Symbol, vier Phasen
  • Phasendiagramme zur Darstellung der Symbole
• Merke: Höhere Ordnung = Komplexer, aber höhere Datenrate
• Formeln
  • SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) für QAM: \[ \text{SNR}_{\text{QAM}} \text{ (dB)} = 10 \times \text{log}_{10}\frac{\text{P}_\text{s}}{\text{P}_\text{n}} \]
  • Bitfehlerrate (BER) für PSK: \[\text{BER}_{\text{BPSK}} = Q\bigg(\frac{\text{E}_\text{b}}{\text{N}_\text{0}}\bigg)\]

Herstellung und Verarbeitung von integrierten Schaltungen

Definition:

Prozess der Herstellung und Bearbeitung von integrierten Schaltungen (ICs) durch fotolithografische Methoden und Halbleitermaterialien.

Details:

• Silikonwafer Reinigung und Vorbereitung
• Fotolithografie zur Maskenherstellung
• Ätzen und Dotieren zur Strukturerstellung
• Metallisierung zur Verbindung der Schaltungen
• Testen und Verpacken der fertigen ICs
• Wichtige Formel: Transistor-Zahl in ICs folgt Moore's Law: \[N(t) = N_0 \cdot 2^{\frac{t-t_0}{T} }\] \(N(t)\): Anzahl der Transistoren, \(t\): Zeit, \(T\): Verdopplungszeit

Störungserkennung und -vermeidung

Definition:

Identifizierung und Prävention von Störungen in Funkanwendungen, um die Signalqualität zu gewährleisten.

Details:

• Erkennung: Analyse der empfangenen Signale, Verwendung von Filtern und Algorithmen.
• Vermeidung: Optimierung der Schaltungsarchitektur, Abschirmung, Auswahl geeigneter Frequenzen.
• Formeln: Signal-Rausch-Verhältnis (SNR): \[ SNR = 10 \log_{10} \left( \frac{P_{Signal}}{P_{Rauschen}} \right) \]