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 // // // // www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 // // // · // www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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. www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 ?; www.kurcz.at | 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. www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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) www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 + www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 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 www.kurcz.at | 19 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 www.kurcz.at | 20 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 www.kurcz.at | 21 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) www.kurcz.at | 22 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 www.kurcz.at | 23 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 www.kurcz.at | 24
