Operationsverstärker - Projektlabor
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Operationsverstärker Odai Qawasmeh 12. Mai 2015 Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 1 / 17 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Eigenschaften 3 Schaltungsarten Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Addierer Subtrahierer Impedanzwandler Schmitt-Trigger 4 Bezug zum Projekt 5 Quellen Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 2 / 17 Allgemeines dient zur Signalverstärkung besteht aus invertierendem und nichtinvertierendem Eingang und einem Ausgang Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 3 / 17 Allgemeines dient zur Signalverstärkung besteht aus invertierendem und nichtinvertierendem Eingang und einem Ausgang besitzt eine positive und negative Spannungsversorgung Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 3 / 17 Allgemeines dient zur Signalverstärkung besteht aus invertierendem und nichtinvertierendem Eingang und einem Ausgang besitzt eine positive und negative Spannungsversorgung ist frequenzabhängig Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 3 / 17 Allgemeines dient zur Signalverstärkung besteht aus invertierendem und nichtinvertierendem Eingang und einem Ausgang besitzt eine positive und negative Spannungsversorgung ist frequenzabhängig mit-/gegengekoppelt Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 3 / 17 Allgemeines dient zur Signalverstärkung besteht aus invertierendem und nichtinvertierendem Eingang und einem Ausgang besitzt eine positive und negative Spannungsversorgung ist frequenzabhängig mit-/gegengekoppelt Anwendungen: Aktiver Filter, Schwingungserzeuger, Schalterstufe Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 3 / 17 Allgemeines dient zur Signalverstärkung besteht aus invertierendem und nichtinvertierendem Eingang und einem Ausgang besitzt eine positive und negative Spannungsversorgung ist frequenzabhängig mit-/gegengekoppelt Anwendungen: Aktiver Filter, Schwingungserzeuger, Schalterstufe UA = VD · UD (1) Abbildung: Unbeschalteter Operationsverstärker Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 3 / 17 Allgemeines dient zur Signalverstärkung besteht aus invertierendem und nichtinvertierendem Eingang und einem Ausgang besitzt eine positive und negative Spannungsversorgung ist frequenzabhängig mit-/gegengekoppelt Anwendungen: Aktiver Filter, Schwingungserzeuger, Schalterstufe UA = VD · UD (1) Abbildung: Unbeschalteter Operationsverstärker Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 3 / 17 Abbildung: Innenschaltung des µA741 − Operationsverst ärkers Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 4 / 17 Eigenschaften(unbeschaltet) Eigenschaft Verstärkungsfaktor Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Bandbreite Odai Qawasmeh ideal ∞ ∞ 0 0-∞ Operationsverstärker real 106 100MΩ 20Ω bis 1MHz 12. Mai 2015 5 / 17 Invertierender Verstärker Anschluss am negativen (invertierenden) Eingang Vorzeichenwechsel bei der Verstärkung Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 6 / 17 Invertierender Verstärker Anschluss am negativen (invertierenden) Eingang Vorzeichenwechsel bei der Verstärkung Verstärkung lediglich widerstandsabhängig Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 6 / 17 Invertierender Verstärker Anschluss am negativen (invertierenden) Eingang Vorzeichenwechsel bei der Verstärkung Verstärkung lediglich widerstandsabhängig Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 6 / 17 Invertierender Verstärker Anschluss am negativen (invertierenden) Eingang Vorzeichenwechsel bei der Verstärkung Verstärkung lediglich widerstandsabhängig Abbildung: Schaltbild eines invertierenden Verstärkers Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 6 / 17 Invertierender Verstärker Anschluss am negativen (invertierenden) Eingang Vorzeichenwechsel bei der Verstärkung Verstärkung lediglich widerstandsabhängig Abbildung: Schaltbild eines invertierenden Verstärkers Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 6 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors Pn k Ik =0 −I1 + (−I2 ) = 0 Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 7 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors Pn k Ik =0 −I1 + (−I2 ) = 0 −I1 = I2 Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 7 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors Pn k Ik =0 −I1 + (−I2 ) = 0 −I1 = I2 − URE1 = UA R2 Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 7 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors Pn k Ik =0 −I1 + (−I2 ) = 0 −I1 = I2 − URE1 = UA R2 2 −R R1 = UA UE Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 7 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors Pn k Ik =0 −I1 + (−I2 ) = 0 −I1 = I2 − URE1 = UA R2 2 −R R1 = UA UE V = Odai Qawasmeh UA R2 =− UE R1 Operationsverstärker 12. Mai 2015 7 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors Pn k Ik =0 −I1 + (−I2 ) = 0 −I1 = I2 − URE1 = UA R2 2 −R R1 = UA UE V = Odai Qawasmeh UA R2 =− UE R1 Operationsverstärker 12. Mai 2015 7 / 17 Nichtinvertierender Verstärker Anschluss am positiven Eingang im Gegensatz zum invertierenden Verstärker kein Vorzeichenwechsel Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 8 / 17 Nichtinvertierender Verstärker Anschluss am positiven Eingang im Gegensatz zum invertierenden Verstärker kein Vorzeichenwechsel auch hier ist die Verstärkung lediglich widerstandsabhängig Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 8 / 17 Nichtinvertierender Verstärker Anschluss am positiven Eingang im Gegensatz zum invertierenden Verstärker kein Vorzeichenwechsel auch hier ist die Verstärkung lediglich widerstandsabhängig Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 8 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors V = UA UE = VD ·UD UE UD = UE − U1 Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 9 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors V = UA UE = VD ·UD UE UD = UE − U1 Spannungsteiler anwenden: U1 = Odai Qawasmeh R1 R1 +R2 Operationsverstärker · UA 12. Mai 2015 9 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors V = UA UE = VD ·UD UE UD = UE − U1 Spannungsteiler anwenden: U1 = V = VD ·(UE −U1 ) UE Odai Qawasmeh = VD · (1 − U1 UE ) R1 R1 +R2 · UA = VD · (1 − Operationsverstärker R1 R1 +R2 · UA UE ) 12. Mai 2015 9 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors V = UA UE = VD ·UD UE UD = UE − U1 Spannungsteiler anwenden: U1 = V = VD ·(UE −U1 ) UE V = VD R1 1+·VD · R +R 1 Odai Qawasmeh 2 = VD · (1 − = 1 VD 1 R1 +· R +R 1 U1 UE ) R1 R1 +R2 · UA = VD · (1 − R1 R1 +R2 · UA UE ) 2 Operationsverstärker 12. Mai 2015 9 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors V = UA UE = VD ·UD UE UD = UE − U1 Spannungsteiler anwenden: U1 = V = VD ·(UE −U1 ) UE V = VD R1 1+·VD · R +R V = R1 +R2 R1 1 Odai Qawasmeh 2 = VD · (1 − = 1 VD 1 R1 +· R +R 1 U1 UE ) R1 R1 +R2 · UA = VD · (1 − R1 R1 +R2 · UA UE ) 2 Operationsverstärker 12. Mai 2015 9 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors V = UA UE = VD ·UD UE UD = UE − U1 Spannungsteiler anwenden: U1 = V = VD ·(UE −U1 ) UE V = VD R1 1+·VD · R +R V = R1 +R2 R1 1 2 U1 UE ) = VD · (1 − = 1 VD 1 R1 +· R +R 1 R1 R1 +R2 = VD · (1 − R1 R1 +R2 · UA UE ) 2 V =1+ Odai Qawasmeh · UA R2 R1 Operationsverstärker 12. Mai 2015 9 / 17 Bestimmung des Verstärkungsfaktors V = UA UE = VD ·UD UE UD = UE − U1 Spannungsteiler anwenden: U1 = V = VD ·(UE −U1 ) UE V = VD R1 1+·VD · R +R V = R1 +R2 R1 1 2 U1 UE ) = VD · (1 − = 1 VD 1 R1 +· R +R 1 R1 R1 +R2 = VD · (1 − R1 R1 +R2 · UA UE ) 2 V =1+ Odai Qawasmeh · UA R2 R1 Operationsverstärker 12. Mai 2015 9 / 17 Addierer wird auch als Summierverstärker bezeichnet Erweiterung des invertierenden Verstärkers Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 10 / 17 Addierer wird auch als Summierverstärker bezeichnet Erweiterung des invertierenden Verstärkers mehrere Eingangsspannungen liegen an Anwendungen: Oberwellengenerator, AD-Umwandler, Erzeugen von Mischspannungen Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 10 / 17 Addierer wird auch als Summierverstärker bezeichnet Erweiterung des invertierenden Verstärkers mehrere Eingangsspannungen liegen an Anwendungen: Oberwellengenerator, AD-Umwandler, Erzeugen von Mischspannungen Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 10 / 17 Subtrahierer Subtraktion zweier Spannungen Subtraktion abhängig von der äußeren Beschaltung Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 11 / 17 Subtrahierer Subtraktion zweier Spannungen Subtraktion abhängig von der äußeren Beschaltung Berechnung von UA durch Summation der Ausgangsspannungen von 2 Teilsystemen Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 11 / 17 Subtrahierer Subtraktion zweier Spannungen Subtraktion abhängig von der äußeren Beschaltung Berechnung von UA durch Summation der Ausgangsspannungen von 2 Teilsystemen Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 11 / 17 Impedanzwandler andere Bezeichnung: Spannungsfolger Rückkopplung der Ausgangsspannung auf Eingang Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 12 / 17 Impedanzwandler andere Bezeichnung: Spannungsfolger Rückkopplung der Ausgangsspannung auf Eingang UE = UA und V = 1 Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 12 / 17 Impedanzwandler andere Bezeichnung: Spannungsfolger Rückkopplung der Ausgangsspannung auf Eingang UE = UA und V = 1 Anwendungsbeispiel: Messung der Ladung eines Kondensators Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 12 / 17 Impedanzwandler andere Bezeichnung: Spannungsfolger Rückkopplung der Ausgangsspannung auf Eingang UE = UA und V = 1 Anwendungsbeispiel: Messung der Ladung eines Kondensators Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 12 / 17 Schmitt-Trigger liefert abhängig vom Eingangspegel einen definierten Ausgangspegel Ausgang high, wenn Eingangspegel eine Spannung UH überschreitet Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 13 / 17 Schmitt-Trigger liefert abhängig vom Eingangspegel einen definierten Ausgangspegel Ausgang high, wenn Eingangspegel eine Spannung UH überschreitet Ausgang low, wenn Eingangspegel eine Spannung UL unterschreitet Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 13 / 17 Schmitt-Trigger liefert abhängig vom Eingangspegel einen definierten Ausgangspegel Ausgang high, wenn Eingangspegel eine Spannung UH überschreitet Ausgang low, wenn Eingangspegel eine Spannung UL unterschreitet Übergang zwischen LOW / HIGH mittels steiler Flanke Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 13 / 17 Schmitt-Trigger liefert abhängig vom Eingangspegel einen definierten Ausgangspegel Ausgang high, wenn Eingangspegel eine Spannung UH überschreitet Ausgang low, wenn Eingangspegel eine Spannung UL unterschreitet Übergang zwischen LOW / HIGH mittels steiler Flanke Spannung U zwischen UL und UH : Hysterese Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 13 / 17 Schmitt-Trigger liefert abhängig vom Eingangspegel einen definierten Ausgangspegel Ausgang high, wenn Eingangspegel eine Spannung UH überschreitet Ausgang low, wenn Eingangspegel eine Spannung UL unterschreitet Übergang zwischen LOW / HIGH mittels steiler Flanke Spannung U zwischen UL und UH : Hysterese Anwendung: Digitaltechnik, verrauschtes digitales Signal verbessern Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 13 / 17 Schmitt-Trigger liefert abhängig vom Eingangspegel einen definierten Ausgangspegel Ausgang high, wenn Eingangspegel eine Spannung UH überschreitet Ausgang low, wenn Eingangspegel eine Spannung UL unterschreitet Übergang zwischen LOW / HIGH mittels steiler Flanke Spannung U zwischen UL und UH : Hysterese Anwendung: Digitaltechnik, verrauschtes digitales Signal verbessern Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 13 / 17 Bezug zum Projekt Benötigen wir einen Operationsverstärker? Welche Vorteile hat ein Operationsverstärker? Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 14 / 17 Verzerrer/Kompressor Vorteile gegenüber Transistoren: einfachere und verständlichere Schaltung lineare Verstärkung Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 15 / 17 Verzerrer/Kompressor Vorteile gegenüber Transistoren: einfachere und verständlichere Schaltung lineare Verstärkung einzelne Verschaltung der Transistoren komplex Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 15 / 17 Verzerrer/Kompressor Vorteile gegenüber Transistoren: einfachere und verständlichere Schaltung lineare Verstärkung einzelne Verschaltung der Transistoren komplex billiger Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 15 / 17 Verzerrer/Kompressor Vorteile gegenüber Transistoren: einfachere und verständlichere Schaltung lineare Verstärkung einzelne Verschaltung der Transistoren komplex billiger Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 15 / 17 Abbildung: Innenschaltung des µA741 − Operationsverst ärkers Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 16 / 17 Quellen http://www.mikrocontroller.net/articles/Schmitt-Trigger http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210141.htm http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210151.htm http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209241.htm http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210152.htm http://service.projektlabor.tu-berlin.de/onlinekurs/ schaltungshilfe/subtrahierer.htm http://service.projektlabor.tu-berlin.de/onlinekurs/ schaltungshilfe/der-operationsverstaerker.htm http://www2.informatik.uni-freiburg.de/~frank/latex-kurs/ latex-kurs-3/Latex-Kurs-3.html http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/ OpAmpTransistorLevel_Colored_DE.svg Odai Qawasmeh Operationsverstärker 12. Mai 2015 17 / 17
