Synthese (Elektrotechnik)

Unter Synthese wird in der Elektrotechnik die Entwicklung von technischen Systemen bezeichnet. Dabei wird ausgehend von vorgegebenen bzw. geforderten Eigenschaften und Verhalten ein System entwickelt, das diese Eigenschaften aufweist. Es ist somit das Gegenstück zur Systemanalyse, die für ein vorgegebenes System ein Modell desselben entwickelt.

Grundlagen

Gegenüber der empirischen Vorgehensweise oder der des Experimentes wird bei der Synthese aus einem mathematisches Modell die Realisierung mit einer Schaltung gewonnen. Aus Erfahrungen der Analyse ist bekannt, dass es oft mehrere Realisierungen gibt, die in mindestens einer ihrer Eigenschaften übereinstimmen. Daraus geht hervor, dass das Syntheseproblem und damit die speziellen Syntheseaufgaben nicht eindeutig lösbar sind. Die Teilaufgaben einer Synthese sind:

1. Mathematische Synthese
2. Struktursynthese
3. Äquivalenzetappe
4. Realisierung

Synthesearten

In der Elektrotechnik bezeichnet die Synthese den Entwurf von elektronischen Schaltungen, Systemen oder Feldern:

Schaltungssynthese (analog)

Der Entwurf von analogen Schaltungen und Systemen wird als Schaltungssynthese bezeichnet. Hierbei muss zwischen der Synthese linearer und nichtlinearer Systeme unterschieden werden. Die Synthese von linearen Schaltungen und Systemen der Elektrotechnik wurde als Wissenschaft maßgeblich durch den deutschen Wissenschaftler Wilhelm Cauer begründet. Umfangreich wurde die Theorie der Synthese von Schaltungen mit gegebenen Frequenzgang – der Filterentwurf – entwickelt. Für die Synthese von nichtlinearen Schaltungen und Systemen ist bis heute keine einheitliche Theorie vorhanden. Es gibt einige nichtlineare Differentialgleichungen (DGL), wie bspw. die Van-der-Pol-DGL und deren modifizierte Formen, die bei der Synthese von nichtlinearen Oszillatoren herangezogen werden. In der Regel bedient man sich bei der Synthese der Grundelemente gesteuerter Spannungs- und Stromquellen. Die technische Realisierung, z. B. als Transistorschaltung oder mittels Operationsverstärker (OPV), bleibt dem Bearbeiter überlassen.

Digitalsynthese

Gleichfalls benutzt man den Begriff Synthese für den Entwurf von digitalen Schaltkreisen. Dabei wird die funktionale Beschreibung der Schaltung (meist in einer Hardwarebeschreibungssprache HDL) in eine Gatter-Netzliste umgewandelt. Diese Übersetzung wird vom Synthesetool geleistet (siehe Logiksynthese). Für den Entwurf spezieller Schaltungsklassen wie Datenpfad und Zustandsautomaten stehen gesonderte Verfahren zur Verfügung.

Layoutsynthese

Unter Layoutsynthese versteht man das automatisierte Erstellen der geometrischen Anordnung der Zellen und ihrer Verbindungen (das sog. Maskenlayout) beim Layoutentwurf eines integrierten Schaltkreises. Eingangsinformationen sind die Netzliste sowie Bibliotheksinformationen zu den Zellen und Technologie-Informationen. Ergebnis der Layoutsynthese ist die graphische, ebenenspezifische Abbildung aller Elemente der Schaltung, oft in einem sog. GDSII-Fileformat.

Synthese von Feldern

Bei der Synthese von Feldern bedient man sich der Vorgabe von Rand-, Anfangs- und Grenzbedingungen und sucht ein elektromagnetisches Feld, welches diese Forderungen erfüllt. Ebenso stellt sich die Aufgabe Felder auf Grund eines vorgegebenen Bifurkationsverhaltens zu realisieren.

Literatur

• Cauer: Theorie der linearen Wechselstromschaltungen (in 2 Bd.), Akademie-Verlag, Berlin 1954-1960, ISBN B0000BH3AZ
• Chua, Desor, Kuh: Linear and nonlinear circuits, McCraw-Hill Book Company, New York 1987, ISBN 0071001670
• Philippow, Büntig: Analyse nichtlinearer dynamischer Systeme der Elektrotechnik, Carl Hanser Verlag, München 1992, ISBN 3446162879
• Süsse (Hrsg.): Theoretische Elektrotechnik, Band 3: Analyse und Synthese elektrotechnischer Systeme, Wissenschaftsverlag Ilmenau, Ilmenau 1997, ISBN 3980648621
• Scarbata: Synthese und Analyse Digitaler Schaltungen, Oldenbourg Wissenschaftsverlag, Oldenbourg 2001, ISBN 3486258141