Operationsverstärker
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Operationsverstärker - Martin Albert - 24. Mai 2006 - • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert Gliederung • Einführung • Grundlagen • Grundlegende Schaltungen • spezielle Typen • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 2 Gliederung • Einführung • Begriff OPV • Grundlagen Transistor • Grundschaltungen • Probleme • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 3 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 4 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Operation ? • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 5 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Operation ? – Lexikon: • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 6 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Operation ? – Lexikon: 1. Handlung • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 7 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Operation ? – Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 8 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Operation ? – Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane 3. in sich abgeschlossene Kampfhandl. • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 9 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Operation ? – Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane 3. in sich abgeschlossene Kampfhandl. 4. Durchführung einer math. Vorschrift • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 10 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Operation ? – Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane 3. in sich abgeschlossene Kampfhandl. 4. Durchführung einer math. Vorschrift 5. Arbeitsschritt einer Rechenmaschine • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 11 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Verstärker ? • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 12 Einführung • Begriff Operationsverstärker ? – Verstärker ? Transistor • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 13 Einführung • Wiederholung Bipolar-Transistor: • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 14 Einführung • Wiederholung Bipolar-Transistor: UCE UBE • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 15 Einführung • Wiederholung Bipolar-Transistor: IC IB UCE UBE • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 16 Einführung • Kennlinie Bipolar-Transistor: • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 17 Einführung • Kennlinie Bipolar-Transistor: rBE = ∆UBE ∆IB • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 18 Einführung • Kennlinie Bipolar-Transistor: rCE = rBE = ∆UCE ∆IC ∆UBE ∆IB • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 19 Einführung • Kennlinie Bipolar-Transistor: ∆IC β= ∆IB rBE = rCE = ∆UCE ∆IC ∆UBE ∆IB • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 20 Einführung • Kennlinie Bipolar-Transistor: ∆IC β= ∆IB rBE = rCE = ∆UBE ∆IB • Operationsverstärker ∆UCE ∆IC Arbeitspunkt • 24. Mai 2006 • Martin Albert 21 Einführung Grundschaltungen? • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 22 Einführung • Definition: Schaltung mit einem oder auch mehreren Transistoren, die aufgrund ihrer nützlichen Eigenschaften oft verwendet wird. • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 23 Einführung • Arten: • • • • Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung Darlingtonschaltung • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 24 Einführung • Beispiel Emitterschaltung: • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 25 Einführung • Beispiel Emitterschaltung: Ua U CE Vu = = U e RV iB + U BE • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 26 Einführung • Beispiel Emitterschaltung: Ua U CE rCE iC Vu = = = U e RV iB + U BE RV iB + rBE iB • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 27 Einführung • Beispiel Emitterschaltung: Ua U CE rCE iC rCE Vu = = = =β U e RV iB + U BE RV iB + rBE iB RV + rBE • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 28 Einführung • Beispiel Emitterschaltung: ia ia ia Vi = = = β ie iB ic • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 29 Einführung • Beispiel Emitterschaltung: ic rc ia ia ia rCE RL =β Vi = = = β = β ie iB ic ic RL • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 30 Einführung • Zusammenfassung: Basis Emitter Kollektor Vu 100..1000 20..100 (180°) ~1 VI <1 10..50 10..4000 • Widerstandsbetrachtung • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 31 Einführung • Probleme: • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 32 Einführung • Probleme: – Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 33 Einführung • Probleme: – Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile – Arbeitspunkt ändert sich durch Temperatureinflüsse, Materialabweichung • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 34 Einführung • Probleme: – Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile – Arbeitspunkt ändert sich durch Temperatureinflüsse, Materialabweichung – Schaltungen sind nur in einem kleinen Bereich linear • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 35 Einführung • Probleme: – Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile – Arbeitspunkt ändert sich durch Temperatureinflüsse, Materialabweichung – Schaltungen sind nur in einem kleinen Bereich linear – Schwellspannung von 0,7V • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 36 Einführung • Lösung: ? • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 37 Einführung • Lösung: Ineinanderschaltung von mehreren Grundschaltungen, wobei die Vorteile von jeder Schaltung genutzt werden. • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 38 Einführung • Beispiel: • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 39 Gliederung • Grundlagen OPV • Einführung • Aufbau • Eigenschaften • Ersatzschaltbild • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 40 Grundlagen • Einführung: • „Operation“ – mathematische Verknüpfung • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 41 Grundlagen • Einführung: • „Operation“ – mathematische Verknüpfung • OPV wurde in den ersten Analogrechnern eingesetzt • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 42 Grundlagen • Einführung: • „Operation“ – mathematische Verknüpfung • OPV wurde in den ersten Analogrechnern eingesetzt • integrierte Schaltung • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 43 Grundlagen • Einführung: • „Operation“ – mathematische Verknüpfung • OPV wurde in den ersten Analogrechnern eingesetzt • integrierte Schaltung • dient dazu Spannungen und Ströme zu verstärken • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 44 Grundlagen • Aufbau: UD Ua UP • Operationsverstärker UN • 24. Mai 2006 • Martin Albert 45 Grundlagen • Aufbau: Ausgang nicht inv. Eingang UD Ua inv. Eingang UP UN UP • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 46 Grundlagen • Aufbau: Ausgang nicht inv. Eingang UD Ua inv. Eingang UP UN UP Verstärkung: Ua = AD UD • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 47 Grundlagen • Arten: • 4 Arten von Operationsverstärkern • unterscheiden sich in der Größe der Eingangsund Ausgangswiderstände • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 48 Grundlagen • Unterschiede zum Verstärker: • keine Arbeitspunkteinstellung (Ruhepotential = 0) • seine Eigenschaften werden durch die äußere Beschaltung erst bestimmt • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 49 Grundlagen • Zusammenfassung idealer OPV : Eigenschaft Idealer OPV Eingangswiderstand ∞ Ausgangswiderstand 0 Leerlaufverstärkung ∞ Frequenzverhalten linear Aussteuerbarkeit von U+ bus U- • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 50 Grundlagen • Beispiel ohne Beschaltung: • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 51 Grundlagen • Beispiel ohne Beschaltung: 10V 5V 0V -5V -10V 0s V(U1:+) 50ms V(U1:OUT) 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms Time • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 52 Grundlagen • Gegenkopplung: • OPV zeichnet sich durch die äußere Beschaltung aus DU = kFUe-kRUa + kFUe Ue + AD - Ua Ua kRUa • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 53 Grundlagen • Gegenkopplung: • OPV zeichnet sich durch die äußere Beschaltung aus DU = kFUe-kRUa + kFUe Ue + AD - Ua Ue kRUa V =kF/kR • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 54 Grundschaltungen • nicht inv. Verstärker: Ue Ua • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 55 Grundschaltungen • nicht inv. Verstärker: V = 1+ R4 R6 Ue Ua • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 56 Grundschaltungen • inv. Verstärker: Ue Ua • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 57 Grundschaltungen • inv. Verstärker: Ue Ua R4 V =− R3 • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 58 Grundschaltungen • Komparator: • Aufgabe eines Schalters Ue Ua • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 59 Gliederung • OPV-Typen • Problem Versorgungsspannung • Single Supply OPV • Rail-to-Rail OPV • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 60 OPV Typen • Betriebsspannung: • „Normale“ OPV‘s werden symmetrisch angesteuert z.B.: -10V..10V • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 61 OPV Typen • Betriebsspannung: • „Normalen“ OPV‘s wurden symmetrisch angesteuert z.B.: -10V..10V • Bereich kann verschoben werden z.B.: -7V..13V • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 62 OPV Typen • Betriebsspannung: • „Normalen“ OPV‘s wurden symmetrisch angesteuert z.B.: -10V..10V • Bereich kann verschoben werden z.B.: -7V..13V • Problem: Ruhepotential verschiebt sich ebenfalls • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 63 OPV Typen • Ruhepotential: • ist die Spannung, die am Ausgang anliegt, wenn UD = 0 ist • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 64 OPV Typen • Ruhepotential: • ist die Spannung die am Ausgang anliegt, wenn DU = 0 ist • sie liegt symmetrisch im Ansteuerungsbereich • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 65 OPV Typen • Ruhepotential: • ist die Spannung die am Ausgang anliegt, wenn DU = 0 ist • sie liegt symmetrisch im Ansteuerungsbereich • 1. Beispiel: -10V..10V RP: 0V • 2. Beispiel: -7V..13V RP: 3V • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 66 OPV Typen • Single Supply OPV: • Standard-OPV: LM324 (verwenden wir im Labor) • Vorteil: Ansteuerung bis zur neg. Versorgungsspannung • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 67 OPV Typen • Rail-to-Rail OPV: • können von der neg. bis zur positiven Versorgungsspannung angesteuert werden • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 68 Quellen [1] Tietze, U; Schenk, Ch.: Halbleiterschaltungstechnik, Springer Verlag (11. Auflage, 1999) [2] Beuth, K.; Schmusch, W.; Grundschaltungen, Vogel Fachbuch [3] Schnabel, P.: das ELKO - das ELektronikKompendium.de ,http://www.elektronikkompendium.de/sites/bau0203112.htm,Abruf:20.5.200 6 [4] Naunin, D.: Grundlagen der Elektrotechnik IA und IB, Skript (Auflage April 2002) • Operationsverstärker • 24. Mai 2006 • Martin Albert 69
