verstärker - Best of Elektronik

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VERSTÄRKER
Best Of Elektronik
www.kurcz.at
© Florian Kurcz
VERSTÄRKER
Inhaltsverzeichnis
Florian Kurcz
1
Kleinsignalgrundschaltungen ..................................................................... 1
1.1
Emitterschaltung .................................................................................................................................. 1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.2
1.2.1
1.3
1.3.1
Emitterschaltung ohne Signalrückkopplung .......................................................................... 1
Emitterschaltung mit Signalrückkopplung ............................................................................. 2
Eigenschaften der Emitterschaltung ...................................................................................... 3
Kollektorschaltung (Emitterfolgerschaltung) ........................................................................... 3
Eigenschaften der Kollektorschaltung ................................................................................... 4
Basisschaltung ....................................................................................................................................... 5
Eigenschaften der Kollektorschaltung ................................................................................... 6
2
Darlington-Schaltung ..................................................................................... 6
3
Leistungsverstärker........................................................................................ 7
3.1
3.2
3.3
A-Verstärker ........................................................................................................................................... 7
Komplementärer Emitterfolger im B-Betrieb ........................................................................... 7
Komplementärer Emitterfolger im AB Bereich ........................................................................ 8
4
Differenzverstärker ........................................................................................ 8
4.1
4.2
4.3
Betriebsarten ......................................................................................................................................... 8
Berechnung der Gleichtaktverstärkung ...................................................................................... 9
Berechnung der Differenzverstärkung ........................................................................................ 9
4.3.1
4.3.2
4.3.3
Gleichtaktunterdrückung CMRR .......................................................................................... 10
Großsignalverhalten............................................................................................................. 11
Eigenschaften ....................................................................................................................... 11
5
Operationsverstärker OPV ........................................................................ 12
5.1
Grundlagen .......................................................................................................................................... 12
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.3
5.3.4
5.4
5.4.1
5.4.2
Versorgungsanschlüsse ........................................................................................................ 12
Eingänge ............................................................................................................................... 12
Ausgang ................................................................................................................................ 13
Eigenschaften, Kenngrößen .......................................................................................................... 13
Übertragungskennlinie......................................................................................................... 13
Verstärkung .......................................................................................................................... 13
Eingangswiderstand ............................................................................................................. 13
Ausgangswiderstand ............................................................................................................ 13
Weitere Kenngrößen............................................................................................................ 14
Grundschaltungen ............................................................................................................................. 14
Prinzip der Gegenkopplung.................................................................................................. 14
Nichtinvertierende Verstärker ............................................................................................. 15
Invertierende Verstärker...................................................................................................... 16
Integrator, Differenzierer ..................................................................................................... 17
Stabilität und Dynamik von OPVs ............................................................................................... 20
Frequenzgang eines OPVs .................................................................................................... 20
Frequenzgangkorrektur ....................................................................................................... 22
[2]
VERSTÄRKER
Inhaltsverzeichnis
Florian Kurcz
5.4.3
5.5
5.5.1
5.5.2
5.5.3
5.5.4
Verstärkungs- Bandbreitenprodukt ..................................................................................... 23
Reale OPV-Bausteine ....................................................................................................................... 23
LM741 .................................................................................................................................. 23
TAA765 ................................................................................................................................. 24
LM324 .................................................................................................................................. 24
Komparatoren ...................................................................................................................... 24
[3]
VERSTÄRKER
Kleinsignalgrundschaltungen
Florian Kurcz
1
Emitterschaltung
Kleinsignalgrundschaltungen
Kleinsignalgrundschaltungen sind Verstärkerstufen mit AP-Einstellung, bei denen das Wechselsignal
mit Koppelkondensatoren, dem AP überlagert wird.
Eigenschaften:
•
•
Hochpassfilter durch Koppelkondensatoren (nicht DC fähig)
Das Verhalten wird Näherungsweise linearisiert berechnet (Kleinsignal ESB)
1.1
Emitterschaltung
Prinzip
Eingang: Basis
Ausgang: Kollektor
Signalmäßig an Masse: Emitter
1.1.1
Emitterschaltung ohne Signalrückkopplung
Koppelkondensatoren parallel zu RE => RE ist nicht im ESB
+UB
R2
RC
CKA
CKE
RG
CE U2
U1
~
R1
RL
RE
ESB:
rE
~
B iB
i1
U1 R2
R1
rBE
−β.iB
C
~
rCE
i2
RC
RE U2
RL
E
v // //
//
//
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1
VERSTÄRKER
Kleinsignalgrundschaltungen
Florian Kurcz
1.1.2
Emitterschaltung
Emitterschaltung mit Signalrückkopplung
Kein Kondensator => RE ist im ESB und sorgt für eine Rückkopplung.
+UB
R2
RC
R1
RE
CKA
CKE
RG
U1
~
U2
RL
ESB:
rE
i1
B iB
rBE
U1 R2
~
R1
−β.iB
i2
C
rCE
~
RC
U2
RL
RE
E
// // · · · · // // · 1+β ~ β, da β>>
Der Eingangswiderstand wird durch die Rückkopplung deutlich größer, da RE dynamisch vergrößert
wird.
v · · · · · · 1 ! · 1 · v · · // da rCE vernachlässigt wurde.
" # v Eigenschaften:
- kleinere Verstärkung
- Durch die Rückkopplung wird vU deutlich kleiner (schlecht), aber die Abhängigkeit von β geringer
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2
VERSTÄRKER
Kleinsignalgrundschaltungen
Florian Kurcz
Kollektorschaltung (Emitterfolgerschaltung)
Bsp.:
Transistor B = β = 300, RC = 6,8kΩ, RE = 470Ω, RL = 30kΩ, R1 = 220kΩ, R2 = 470kΩ, Ic = 1,5mA
Ges.: vU, rein, raus mit und ohne Rückkopplung.
· 300 · 11,4
· 5(Ω 470Ω · 300
// // 73,95(Ω
v // 5544Ω
ohne Rückkopplung:
4838Ω
v 332,6
5543Ω
Arbeitspunkt:
•
Ic wird im allgemeinen im mA Bereich gewählt,
Bei Vorverstärkern manchmal auch <1mA, um eine möglichst kleine Rauschzahl erreichen.
UCE wird wegen der Signalaussteuerbarkeit ungefähr UB/2 angenommen.
•
1.1.3
•
•
•
•
•
•
Eigenschaften der Emitterschaltung
Invertierung des Eingangssignals (entspricht Phasendrehung um 180°)
Stromverstärkung hoch
Spannungsverstärkung hoch
Leistungsverstärkung ca. 100–1000, etwa Spannungsverstärkung × Stromverstärkung
Eingangswiderstand: 500 Ω–2 kΩ
Ausgangswiderstand: 50–100 kΩ bzw. etwa gleich dem Arbeitswiderstand RC
1.2
Kollektorschaltung (Emitterfolgerschaltung)
Prinzip
Eingang: Basis
Ausgang: Emitter
Signalmäßig an Masse: Kollektor
Die Kollektorschaltung funktioniert ähnlich wie ein Spannungsfolger, daher der Name Emitterfolger.
ESB:
+UB
CE
R2
CKE
RG
CKA
~
U1
R1
RE
U2
RL
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3
VERSTÄRKER
Kleinsignalgrundschaltungen
Florian Kurcz
Kollektorschaltung (Emitterfolgerschaltung)
rE
B iB
i1
rBE
U1 R2
~
R1
-β.iB
C
~
rCE
i2
RE
U2
RL
E
v // // · · · //
1
Bsp.:
R1 = 220kΩ, R2 = 83kΩ, RE = 3,5kΩ, RL = 1kΩ, RG = 1,5kΩ
β ~ 300, rBE = 10kΩ
Ges.: rein, vU, raus
// // · // 48,3(Ω
v · 0,96
· 1
83,33Ω
Berechnung von raus, durch die Spannungs- und Stromänderung:
u2(1kΩ) = 925µV
i2(1kΩ) = 925nA
u2(100Ω) = 680µV
i2(100Ω) = 6,8µA
1.2.1
∆
41,7Ω
∆
Eigenschaften der Kollektorschaltung
• Nicht-invertierend
• Spannungsverstärkung immer kleiner 1 => Die Schaltung ist eine Art Spannungsfolger
•
•
•
•
(Impedanzwandler)
AP Einstellung: URE größer als sonst URE = UCE = 0,5UB
Stromverstärkung hoch (=> Stromverstärkerschaltung)
Eingangswiderstand groß: 3 kΩ–1 MΩ (Lastwiderstand × Stromverstärkung)
Ausgangswiderstand klein: 20–30 Ω
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4
VERSTÄRKER
Kleinsignalgrundschaltungen
Florian Kurcz
1.3
Basisschaltung
Basisschaltung
Prinzip
Eingang: Emitter
Ausgang: Kollektor
Signalmäßig an Masse: Basis
+UB
RC
R2
CKA
CKE
RG
CE
~
U1
U2
RL
R1
RE
ESB:
B iB
rBE
rE
-β.iB
C
~
rCE
i1
RC
U1
~
i2
U2
RL
RE
E
RG
iE
~
U1
RE
iB
rBE
β.iB
~
· 3 1 1 4
v // //
//
· //
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5
VERSTÄRKER
Darlington-Schaltung
Florian Kurcz
1.3.1
•
•
•
•
•
•
•
•
Basisschaltung
Eigenschaften der Kollektorschaltung
Nicht-invertierend
Stromverstärkung geringfügig unter 1
Spannungsverstärkung hoch (=> Spannungsverstärkungsschaltung)
Spannungsverstärkung 5 % bis 10 % größer als bei der Emitterschaltung
Eingangswiderstand klein: 25–500 Ω
Ausgangswiderstand groß: 100 kΩ–1 MΩ
höhere Grenzfrequenz durch geringere Rückwirkung
Das HF Verhalten ist deutlich besser, als bei der Emitterschaltung, da hier der Miller Effekt
nicht auftretet
B
I B rB´B
CB´C
B´
C
UB´C
I Bi
UBE
rB´E
I B rB´B
B
I Bi
β0.I Bi
CB´E
rCE UCE
~
=>
UBE
rB´E
CB´E
CB´C
E
E
E
56 56 5 5 |v | · 56 86 86 · |v |
Die Spannung am CB’C ist ca. |vU| . UB’E mal so groß, wie die Spannung an CB’E => Die Auswirkung
dieser Kapazität ist ebenso vergrößert. Dieser Miller Effekt tritt nur bei der Emitterschaltung auf. Das
HF Verhalten ist daher schlechter, als bei der Basisschaltung.
Die Basisschaltung (Gate Schaltung) wird nur im HF Bereich eingesetzt. Im NF Bereich ist die
Emitterschaltung besser, da der rein größer ist.
2
Darlington-Schaltung
Normal
Komplementär
C'
C'
B'
T2
T1
UC'E'
UB'E'
T2
B'
T1
UC'E'
UB'E'
E'
E'
Die Darlington Schaltung ist eine Kaskadenschaltung (verkettete) zweier Transistoren, mit der man
eine möglichst hohe Stromverstärkung anstrebt.
Vorteile:
• Sehr hohe Stromverstärkung (B’=B1 . B2, β’=β1 . β2)
Nachteile:
• rC’E’ wird sehr niederohmig, kann nicht mehr vernachlässigt werden.
• Die Sättigungsspannung UC’E’ im Schaltbetrieb wird nicht kleiner als 0,7V
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6
VERSTÄRKER
Leistungsverstärker
Florian Kurcz
3
A-Verstärker
Leistungsverstärker
Ein Leistungsverstärker soll:
•
•
3.1
einen möglichst niederohmigen Ausgangswiderstand haben, damit er niederohmig belastet
werden kann.
einen möglichst hohen Wirkungsgrad haben.
A-Verstärker
Das sind Verstärker mit AP Einstellung, bei denen der AP Strom (Ruhestrom) größer ist, als der
maximale Signalstrom (Alle bisher besprochenen Kleinsignalverstärker). Als Leistungsverstärker sind
A-Verstärker unbrauchbar.
3.2
Komplementärer Emitterfolger im B-Betrieb
+UB
U
u1
u2
u1(t)
u2(t)
RL
t
-UB
u2
0,7V
u1
Nicht lineare Verzerrungen durch nichtlineare Stationärkennlinie. Selbst ein Sinussignal wird verzerrt.
Lineare Verzerrung: Verschiedene Frequenzen werden verschieden verstärkt, oder gedämpft, die
Sinuskurvenform wird nicht verzerrt.
Vorteil:
• relativ hoher Wirkungsgrad, da kein Ruhestrom ηmax = 78%, bei dieser Schaltung
• Einfacher Aufbau
Nachteil:
• nicht lineare Verzerrung
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7
VERSTÄRKER
Differenzverstärker
Florian Kurcz
3.3
Komplementärer Emitterfolger im AB Bereich
Komplementärer Emitterfolger im AB Bereich
AB heißt Mischform zwischen A und B-Betrieb. Es gibt einen Ruhestrom, dieser kann aber kleiner als
der Signalstrom sein.
u2
+UB
uV
RE
u1
u1
u2
RE
uV
RL
-UB
•
•
•
Durch die Vorspannung Uv sind die Verzerrungen weitgehend ausgeschaltet
Der Ruhestrom kann relativ klein sein
9 ;:
Wenn man mit einen rückgekoppelten OPV kombiniert kann man auch die B-Schaltung verwenden.
4
Differenzverstärker
+UB
Rc
Rc
U1
U2
UA
RE
-UB
4.1
•
•
•
Betriebsarten
reiner Gleichtaktbetrieb: U1=U2
reiner Differenzbetrieb: U1=-U2
allgemeiner Betrieb U1 und U2 beliebige Werte.
Der allgemeine Fall kann in einen reinen Gleichtaktanteil und in einen reinen Differenzbetrieb zerlegt
werden.
51 5 5
2
5< 5 5
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8
VERSTÄRKER
Differenzverstärker
Florian Kurcz
Berechnung der Gleichtaktverstärkung
Ein Differenzverstärker sollte am besten nur die Differenzspannung verstärken
=>Die Gleichtaktverstärkung sollte am besten 0 sein.
4.2
Berechnung der Gleichtaktverstärkung
+UB
Rc
+UB
Rc
Rc
=>
UA
U1
UA
UGL
2RE
RE
-UB
-UB
Diese Schaltungsvereinfachung geht nur wegen der Symmetrie
∆5= 5= 5=;
5<
5<
5= 5> ? · 51 |5@ | 5
? 2
v1 5= 5> ·
5= 5=; v1 4.3
51 |5@ | 5
2
5=; 5> ·
·5
2 1
|5@ | 5
2
2
Berechnung der Differenzverstärkung
UD1
B
iB1
rBE
-β.iB1
C
~
rCE
B
iB2
rBE
-β.iB2 C
rCE
~
E
E
RC
RC
RE
Für kleine UD kann man mit dem Kleinsignalersatzschaltbild arbeiten.
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9
VERSTÄRKER
Differenzverstärker
Florian Kurcz
v< Berechnung der Differenzverstärkung
5=
5<
5= · · 5< · 2
v< F
· 2
2
4.3.1
Gleichtaktunterdrückung CMRR
CMRR…COMMON MODE REJECTION RATIO
8A B v<
v1
CMRR sollte möglichst groß sein
C
v<
2 · · · C
v1
2 · =>RE soll möglichst groß sein. Man ersetzt daher RE durch eine Konstantstromquelle.
+UB
Rc
Rc
UA
U1
U2
I0
Ri
-UB
Ideale Stromquelle: v1 0
Reale Stromquelle: v1 D
E
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10
VERSTÄRKER
Differenzverstärker
Florian Kurcz
4.3.2
Berechnung der Differenzverstärkung
Großsignalverhalten
IC1, IC2
I0
UD
UA
UAmax
UAmax-UAmin
2
UAmin
UD
UAmin sollte nicht kleiner aus 0V gewählt werden da die Transistoren sonst in die Sättigung gesteuert
werden.
4.3.3
•
•
•
Eigenschaften
auch für Gleichspannungen geeignet (keine Koppelkondensatoren)
Unterdrückung der Gleichtaktunterdrückung
Durch den symmetrischen Aufbau kompensiert sich die Temperaturdrift von T1 und T2
Symetrische Signalübertragung
UD1
UD2
+
-
Unsymetrische Signalübertragung
+
US
UD = (UD1+US)-(UD2+US)
UD = UD1-UD2
UD
UD1 +
+ U
D
US
UD = (UD1+US)
Wegen dieser guten Eigenschaften wird bei integrierten Verstärkern (OPV) am Eingang immer ein
Differenzverstärker verwendet.
Bsp.:
Dimensionieren Sie einen Differenzverstärker für folgende Angaben: ±UB = 12V,
IC10 = IC20 = 0,7mA, UD = 0, B = 180, UAmin = 0,5V, UAmax = 12V (ohne Belastung).
|5@ |
8(Ω
2?
5 5=G
8,2(Ω
?;
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11
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Grundlagen
5
Operationsverstärker OPV
5.1
Grundlagen
Operationsverstärker (OPV) sind integrierte Spannungsverstärker mit möglichst universeller
Anwendbarkeit.
Name: Ursprünglich werden OPV zur Ausführung von Rechenoperationen in analogen Geräten
verwendet. Man kann mit OPV mathematische Operationen ausführen (Addition und Subtraktion…
von Spannungen)
UB+
IP
P
+
UD
A
IN
N
UP
UA
UN
5.1.1
UB-
Versorgungsanschlüsse
Die symmetrische Versorgung (UB+, UB-) ermöglicht das Verstärken von positiven und negativen
Signalen. Es gibt auch OPV mit einfacher Verstärkung. Symmetrische Versorgung im Labor:
+
15V
Netzgerät 1
-
30V
+
15V
Netzgerät 2
-
5.1.2
Eingänge
Ein OPV ist ein so genannter Differenzverstärker, er verstärkt die Differenz der beiden
Eingangsspannungen
5< 5H 5I
D ….. Differenz
P ….. Positiv
N ….. Negativ
Vorteile
- Verringerung von Signalstörungen (Netzbrumm)
- Einfache Realisierung von zurückgekoppelten Schaltungen.
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12
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Eigenschaften, Kenngrößen
5.1.3
Ausgang
Hier wird die Verstärkerspannung ausgegeben.
5.2
Eigenschaften, Kenngrößen
5.2.1
Übertragungskennlinie
UA
+UB
∆UA
UOS
∆UD
UD
-UB
UOS …. Input Offset Voltage = die Spannung, die man am OPV anlegen muss, damit UA = 0 wird.
5.2.2
Verstärkung
∆5=
v< v; ∆5<
vD …… Differenzverstärkung
vO …… Open Loop Gain (gain = erlangen)10<s
Ideal: unendlich, real: 100000
5.2.3
Eingangswiderstand
Widerstand zwischen + und – Eingang.
I+
P
UD
I-
N
r< +
A
-
5<
5<
?> |?@ |
Ideal: unendlich, real: MΩ Bereich
5.2.4
Ausgangswiderstand
Der Verstärkungsausgang verhält sich wie eine reale Spannungsquelle.
rA ist der Innenwiderstand dieser Spannungsquelle. Idealer Wert: 0, realer Wert: 100Ω
P
IA
A
N
RL
UA0
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13
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Grundschaltungen
Bsp.:
Geg. OPV 741 mit einem Ausgangswiderstand rA = 100Ω.
Um wie viel Prozent gegenüber Leerlauf sinkt die Ausgangsspannung wenn
der Ausgang = 680Ω belastet wird.
RA
5=
=
0,1282
5
= UA
U
UA = 87,2% von U
RL
UA sinkt bei Belastung um 12,8%.
5.2.5
Weitere Kenngrößen
- Offsetstrom: IOS = I0+ + I0- Offsetspannung, Offsetspannungsdrift
- Mittlerer Eingangsstrom: Bias Current ?; KLM @KLN
Durch die Basisströme der Eingangstransistoren verursacht.
5.3
Grundschaltungen
5.3.1
Prinzip der Gegenkopplung
Ein idealer OPV ohne Rückkopplung kann nur als Komparator verwendet werden.
UE < 0, UA ~ -UB
UE > 0, UA ~ UB
Wenn man Spannungen verstärken möchte, muss man rückkoppeln.
Es gibt 2 Arten von Rückkopplungen.
a. Gegenkopplung
UE
v0
UA
kR
Ein Teil der Ausgangsspannung wird von der Eingangsspannung subtrahiert.
Anwendung:
•
Verstärker, Regelkreis
b. Mitkopplung
UE
v0
UA
kR
Ein Teil der Ausgangsspannung wird zur Eingangsspannung addiert.
Anwendung
•
Kippschaltung (Komparator)
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14
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
5.3.2
Grundschaltungen
Nichtinvertierende Verstärker
+
UD
UF
-
RF
UE
UA
URN
RN
• idealer OPV:
v I T
I
∞
0
Eigenschaften dieser Schaltung:
•
•
•
•
Nichtinvertierendes Verstärkung durch Widerstände bestimmt (ideal)
Verstärkung kleiner 1 nicht möglich
raus sehr niederohmig (ideal)
rein sehr hochohmig (gut), aber schlecht definiert.
Achtung: ? Q P ?;
RES
Wenn ein sehr hochohmiger Verstärker benötigt wird, muss man einen FET Verstärker nehmen.
Bsp.:
Für die gleiche Verstärkung soll eine nichtinvertierende Schaltung
+
UD
-
UF
RF
UE
UA
URN
RN
v = 17,78
v I T
T
T
1
# v 1 I
I
I
Die Rückkopplungswiderstände sollten normalerweise im Bereich von 1-100kΩ
Bereich liegen. => RF = 100kΩ
T 100(Ω
16,783 # I 5958,41Ω
I
I
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15
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Bsp.:
Grundschaltungen
Ein nichtinvertierender Verstärker für vU = 1
+
UD
UF
-
RF
UE
UA
URN
v RN
I T
# T 0
I
UD
UE
+
-
UA
Diese Schaltung wird als Spannungsfolger oder Impedanzwandler bezeichnet. Sie hat einen
sehr hohen Eingangswiderstand und einen sehr geringen Ausgangswiderstand.
R1
+
UE
-
UA
RA
Belastungswechsel am Ausgang wirken dadurch nicht auf den Eingang durch.
5.3.3
Invertierende Verstärker
UN
IN
RN
UE
virtuelle
Masse
UF
IF
RF
I- = 0
-
UA
UD
+
I+
a. idealer OPV:
v T
I
I
0
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16
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Grundschaltungen
b. realer OPV:
- v0 < ∞ speziell bei hohen Frequenzen gilt die Annahme v0 = ∞ nicht mehr.
I: U1 + UD – IN . RN = 0
II: IF . RF + U2 + UD = 0
T
5
I
5 1 1 T
v; v; · T
bei v0 = 0 gilt v U
V
Eigenschaften dieser Schaltung:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Invertierendes Verhalten (symmetrische Versorgung benötigt)
negative Verstärkung bedeutet Vorzeichenumkehr, bei Wechselspannungen entspricht dies
eine Phasenverschiebung um 180° bzw. π.
RN ist sehr niederohmig, aber gut bekannt: RN meistens im kΩ Bereich.
Es können auch Verstärkungen kleiner 1 durchgeführt werden (Grund für Integrator und
Differenziererschaltungen)
vU wird durch Widerstände bestimmt (ideal)
raus niederohmig (ideal)
rein relativ niederohmig (schlecht)
Bsp.:
Dimensionierung einer invertierenden Verstärkerstufe:
vU soll 25dB sein. Rein >= 5kΩ; RN = Rein
RN
IN
RF
IF
UF
UN
-
UE
UD
+
vDB = 20 . log(v) => U = 10
vU = 5.3.4
U
V
UA
WXY
ZL
= 1017,87
T v · I 88,914(Ω
Integrator, Differenzierer
Die meisten frequenzabhängigen Schaltungen sind aus der invertierenden Schaltung abhängig.
IN
ZN
IF
UF
UN
UE
ZF
-
UD
UA
+
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17
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Grundschaltungen
a. Integrator
IG
R1
IE
I-
UE
C
+
= ` UA
1
· m ` a`
·8
Phasendrehung, Phasengang beim Integrator:
[ sin_ · ` a` bcde·f
e
=> Phasendrehung bei allen Frequenzen g 90°
Achtung beim invertierenden Integrator kommen 180° dazu.
b. Differenziererr
R1
IE
C
I-
UE
IG
+
UA
= ` · 8 ·
a `
a`
Phasendrehung, Phasengang beim Differenzierer: Eigentlich 90°, da invertiert -90°.
Reales Problem - Schwingneigung beim Impulsbetrieb:
v
Schwingneigung
dB
dB
-20 Dek
20 Dek
ωT'
ωs
ωT
lg(ω)
Abhilfe: Serienwiderstand zum Kondensator. Bei nichtinvertierenden Schaltungen gibt es
folgenden Zusammenhang zwischen Betrag und Phase im Bodediagramm.
j
Betrag i<kl
0
-20
20
Phase [°]
Geht gegen 0
Geht gegen -90
Geht gegen 90
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18
VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Grundschaltungen
Bsp.: Integrator, der aus dem folgenden Signal ein Dreiecksignal mit 1V Uss entwirft.
UE
0,5V
t
100µs
100µs
100µs
-0,5V
UA
t
C gewählt: 1µF
;;n
1
` · m ` a`
·8
;
50μp
`
· 8 50μp # 50Ω
8
`
Bsp.: Differenzierer:
C = 0,22µF, RF = 1kΩ, RN = 33Ω
UE
0,5V
t
100µs
100µs
100µs
UA
t
In der Praxis:
UA
t
τ = R . C = 7,26.10-6s
T
vGq 30
I
0,5V . 30 = 15V
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VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Stabilität und Dynamik von OPVs
Bsp.: Integrator:
Bsp.: Differenzierer:
Geg. Eingangssignal , Ges. Ausgangssignal
Geg. Eingangssignal, Ges. Ausgangssignal
UE
0,5V
UE
t
t
-UA
UA
t
t
5.4
Stabilität und Dynamik von OPVs
5.4.1
Frequenzgang eines OPVs
Ein OPV besteht fast immer aus drei Transistorstufen:
1) Differenzverstärker
2) Emitter oder Basisschaltung (Spannungsverstärkung)
3) Meistens Emitterfolger (Stromverstärkung)
R0
+UB
I0
5
7
i2
i1
i2
2
-
UD
6
T2
T1
iA
+
+UB
=
UA
i1
3
1
8
2
7
3
6
4
5
I0
S0
4
-UB
Jeder dieser Verstärkerstufen hat eine Tiefpasswirkung
fG1
fG2
v1
fG3
v2
v3
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VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Stabilität und Dynamik von OPVs
|v0| [dB]
100
fG2
-20
80
dB
Dek
fG1
-40
60
40
dB
Dek
fG3
-60
20
dB
Dek
f lg
1
100
10
1k
10k
100k
1M
[Hz]
10M
ϕ
f
-90°
-180°
-270°
Stabilitätskriterien:
U1
U2
v0
kR
kR….Rückkopplungsfaktor (z.B. kR =
V >U
)
U
Ges.: v = Z
P
= (U1-U2 . k) . v0
U2 + U2 . v0 . k = U1 . v0
v;
1 ( · v;
vr = kR . v0 ….Schleifenverstärkung
Wenn bei der Frequenz, bei der die Phasendrehung von vS 180° wird, der Betrag von vS größer als 1 ist,
ist die Schaltung instabil.
Bsp.: Sprungsignal am Eingang
Schaltung stabil
U
u2(t)
Stabilitätsgrenze Schaltung instabil
U
u1(t)
U
u2(t)
u1(t)
t
ϕ(vs)=180°
| vs | < 1
allgemein instabil
u2(t)
u1(t)
t
ϕ(vs)=180°
| vs | = 1
t
ϕ(vs)=180°
| vs | > 1
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VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Stabilität und Dynamik von OPVs
|v0| [dB]
vS
v1
v0
v
v2
f lg
[Hz]
ϕ
f lg
180°
1
(
vr ( · v;
v
|vr | ( · |v; |
1
log|vr | log( log|v; | log 3 4 log|v; |
v
|
|
log|vr log|v; log v
Verstärkungen v über der Stabilitätsgrenze sind stabil unter der Stabilitätsgrenze instabil.
5.4.2
Frequenzgangkorrektur
Durch den Einbau eines Kondensators wird die tiefste Grenzfrequenz des OPV’s noch weiter
abgesenkt, sodass bei der kritischen Frequenz ( ϕ =180°) |v0| kleiner 1 ist => bei Ohmscher
Rückkopplung ist auf |vs| sicher kleiner 1. Siehe Ersatzschaltung und Bode-Diagramm.
CK
V1
V2
V3
CK wird meist zwischen Aus und Eingang einer Emitterstufe geschaltet, da er dort dem
Millereffekt unterliegt => Man kommt mit deutlich kleineren Kapazitätswerten aus.
Beispiel: 741: CK = 30pF Faktor 500 bis 1000 dynamisch vergrößert. (CC = CK beim 741)
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VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
Reale OPV-Bausteine
|v0| [dB]
-20
fG2
100
80
dB
Dek
fG1
-40
60
40
dB
Dek
fG3
-60
20
1
10
100
1k
100k
10k
1M
dB
Dek
10M
f lg
[Hz]
ϕ
f
-90°
-180°
-270°
5.4.3
Verstärkungs- Bandbreitenprodukt
|v0|
v2
v1
fG2
fG1 fT
f
vz · vz vw
Bsp.: 741 fT=1MHz
Ges.: Eine Verstärkung von v = 30 soll realisiert werden.
vw 1Axy
vw v · v1 # v1 33,3(xy
v
30
5.5
Reale OPV-Bausteine
5.5.1
LM741
•
•
•
•
•
Stufe 1: Differenzverstärker T1,T2 (T3,T4); T5,T6 sind Kollektorwiderstände. T8=Emitterstromquelle
Stufe 2: Emitterschaltung mit Darlington Stufe T15,T16
Stufe 3: Komplementärer Emitterfolger T20,T21; Spannungsquelle T14 ∆U~1,4V
Stromspiegelschaltungen:
o T12, T13
o T10, T11
o T9,T8
Ausgangsstrombegrenzung:
T18: positiver Ausgangsstrom
T19: negativer Ausgangsstrom
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VERSTÄRKER
Operationsverstärker OPV
Florian Kurcz
5.5.2
•
•
•
•
•
Reale OPV-Bausteine
TAA765
Stufe1: Differenzverstärker T1, T2
Stufe2: Basisschaltung T4
Stufe3: Emitterschaltung in Darlingtonschaltung T7, T8
Stromspiegelschaltung T5, T6
Unterschiede 741 765
o Keine Ausgangsstrombegrenzung
o Externe Frequenzgangkorrektur
o Keine Offsetkompensation
5.5.3
LM324
Single supply OPV
•
•
•
Betriebsspannung +3….+30V
Die PNP Eingangsstufe bewirkt, dass der OPV trotz einfacher Versorgungsspannung mit
Eingangsspannungen im Bereich von 0V betrieben werden kann. (Dafür aber nicht nahe +UB)
Ansonsten ähnlich dem 741
5.5.4
Komparatoren
Komparatoren sind OPV die für den Schaltbetrieb optimiert sind.
•
Hohe Slew Rate: Maximal Ausgangsspannungsanstiegsgeschwindigkeit V/µs.
(Hohe Slew Rate nur ohne Frequenzgangkorrektur)
• Kurze Umschaltzeiten von + auf – UB und umgekehrt.
• Schlechtes Linearverhalten
Beispiel: LM339 vierfach Single Supply Komparator
Achtung: Open-Kollektor Ausgang
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