17.02_Operationsvers..
Werbung
TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER Seite 1 Kapitel 17.2 Operationsverstärker Bearbeitet durch: Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1 8772 Nidfurn Telefon Telefax E-Mail Web 055 654 12 87 055 654 12 88 [email protected] www.ibn.ch P P 2. Auflage 15. Dezemper 2014 Ein Operationsverstärker ist ein mehrstufiger, hochverstärkender, galvanisch gekoppelter Differenzverstärker. Er kann sowohl Gleichspannung als auch Wechselspannung verstärken. Der OP hat einen positiven und einen negativen Eingang. Die Differenz der beiden Spannungen wird verstärkt auf den Ausgang ausgegeben. Da die Verstärkung eines OPs sehr hoch ist, wird diese über eine Gegenkopplung (Widerstand vom Ausgang zum Eingang) angepasst. Über eine entsprechende Beschaltung kann man mit OPs neben den Grundschaltungen, wie Addierer und Subtrahierer, auch Filterschaltungen oder komplette Regler aufbauen. Besondere Eigenschaften sind die grosse Spannungsverstärkung, grosse Leistungsverstärkung, sehr grosser Eingangsinnenwiderstandund kleiner Ausgangsinnenwiderstand. Der Operationsverstärker hat zwei Anschlüsse für eine Differenzeingangsspannung U1 und einen Anschluss für die Ausgangsspannung U2. ie Ausgangsspannung U2 ist gegenüber der Differenzeingangsspannung im Vorzeichen umgekehrt. Beträgt die Differenzeingangsspannung z. B. 0,1 mV, dann ist die Ausgangsspannung - 10V. Die Spannungsumkehr wird durch das Minuszeichen im Schaltzeichen gekennzeichnet. Der mit dem Minuszeichen gekennzeichnete Eingang heisst invertierender Eingang. Der andere Eingang, welcher mit einem Pluszeichen markiert ist, heisst nichtinvertierender Eingang. Neben dem alten Schaltzeichen mit Dreieck-Symbol verwendet man für Signalflusspläne neue Symbole in Rechteckform. Das Zeichen für Unendlich weist auf die sehr grosse Verstärkung des Operationsverstärkers hin. Operationsverstärker benötigen sowohl eine positive als auch eine negative Betriebsspannung gegenüber dem Bezugspotential der Ausgangsspannung, z. B. gegenüber Masse. Die Betriebsspannungen betragen zwischen ± 5V und ± 18V. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 3 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER Seite 2 Inhaltsverzeichnis 17 ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG 17.2 Operationsverstärker 17.2.1 Invertierender Operationsverstärker 17.2.2 Nichtinvertierender Operationsverstärker 17.2.3 Summierender Operationsverstärker 17.2.4 Subtrahierender Operationsverstärker 17.2.5 Integrierender Operationsverstärker 17.2.6 Differenzierender Operationsverstärker 17.2.7 Impedanzwandelnder Oerationsverstärker Grundschaltungen Die Operationsverstärker werden mit ohmschen und kapazitiven Widerständen beschaltet. Meist darf der Operationsverstärker als ein idealer Verstärker mit unendlich grossem Spannungsverstärkungsfaktor Vo unendlich grossem Eingangsinnenwiderstand Rie und sehr kleinem Ausgangsinnenwiderstand Ria betrachtet werden. Der besseren Übersichtlichkeit wegen werden im Schaltplan gewöhnlich die Anschlüsse für die Stromversorgung und die Anschlüsse für eine eventuelle Offset-Kompensation und Frequenzkompensation nicht dargestellt. Offset-Kompensation Die Offsetspannung weist bei StandardOperationsverstärkern Werte von einigen mV auf, diese kann durch eine Offsetkompensation reduziert werden. Bei modernen Operationsverstärkern wird die Kompensation bereits intern durchgeführt und die Offsetspannung kann vernachlässigt werden. 08. April 2017 www.ibn.ch Frequenzkompensation Aufgrund parasitärer Kapazitäten weist der Operationsverstärker prinzipiell das Verhalten eines Tiefpasses auf, d.h. die Leerlaufverstärkung sinkt mit steigender Frequenz ab. Durch eine interne Frequenz-kompensation erfolgt der Abfall wie bei einem Tiefpass 1.Ordnung, d.h. mit 20dB/Dekade. Version 3 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER Seite 3 17 Elektronik, Digitaltechnik und Programmierung 17.2 Operationsverstärker Die Einsatzgebiete eines Operationsverstärkers kann man schon anhand seines Namens erahnen. Er wird immer dort eingesetzt, wo mit einem einfachen Bauteil Signale verstärkt werden sollen. Doch ein Operationsverstärker kann auch Rechenaufgaben ausführen, Signale oder Pegel vergleichen, Meßgrößen umformen oder Meßsignale wie z.B. Rechteck-, Dreieck- oder Sinussignale generieren. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 1 TG 17 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK ELEKTRONIK 17.2.1 Seite Invertierender Operationsverstärker 4 Fachbuch Seite 215, 219, 551 Fachliche Voraussetzung: Grundkenntnisse aus Elektronik. Invertierender Verstärker R Ua 2 Ue R1 LM741H TO99 Schaltzeichen Nach DIN U R VU a 2 Ue R1 VU Spannungsverstärkungsfaktor Ua Ausgangsspannung Ue Eingangsspannung R2 Rückkopplungswiderstand R1 Eingangswiderstand am invertierenden Eingang Beispiel: Eine Messsignalspannung U e beträgt 2 ,5V und soll auf 10V verstärkt werden. Der Widerstand R2 für die Signalquelle soll grösser oder gleich 10 k sein. Bestimmen Sie die Beschaltungswiderstände: Der Operationsverstärker =OPV (Abk. VV, VC, CV, CC) ist ein elektronischer Verstärker, der einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang besitzt und eine sehr hohe SpannungsVerstärkung sowie hohen Eingangswiderstand und kleinen Ausgangswiderstand aufweist. Als Eingangsschaltung wird ein Differenzverstärker verwendet, der auf sehr geringe Spannungsunterschiede reagiert. Anwendungen Operationsverstärker: 08. April 2017 www.ibn.ch Analogfilter Analoge Signalverarbeitung Analog-Digitalumsetzer Verstärkerstufen Adiererverstärker Subtrahierer Integrierer (mit Kondensator in der Rückkopplung) Gleichrichterschaltungen Spitzenwerterfassung Speicherung von Spannungen Geregelte Gleichstrom- und Gleichspannungsquellen Differenzierer (mit Kondensator am Eingang) OP-Verstärker in der Steuer- und Regeltechnik OP-Verstärker als Schalter OP als Meßwertwandler Anwendung in Oszillotoren und Konsumelektronik OP-Verstärker mit nichtlinearen Verstärkungen Stromversorgung Komparatoren Version 3 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER 17.2.2 Seite Nichtinvertierender Operationsverstärker Am nichtinvertierender Verstärker ist die Ausgangsspannung gleich gepolt wie die Eingangsspannung. Fachbuch Seite 215, 219, 551 Eine der bekanntesten und auch am weitesten verbreiteten Grundschaltungen ist der nichtinventierende Verstärker, auch Elektrometerverstärker genannt. Er besitzt einen sehr hohen Eingangswiderstand, und der Verstärkungsfaktor kann mittels zweier Widerstände auf einen Wert von 1 oder mehr eingestellt werden. Schaltbild des standard Operationsverstärkers 741 Anwendungen Invertierender Operationsverstärker: Ua V Ue VU Spannungsverstärkungsfaktor Ua Ausgangsspannung Ue Eingangsspannung R2 Spannungsteilerwiderstand R1 Spannungsteilerwiderstand V Ua R 1 2 Ue R1 Beispiel: Welche Spannung erhält man am Ausgang, wenn die Eingangsspannung U e 0 ,1V beträgt sowie die Widerstände R1 1k und R2 10 k betragen? Spannungsverstärker Addierer / Summierer Subtrahierer Strom-Spannungswandler (ohne Eingangswiderstand) Differenzierer Integrierer Anwendungen Nichtinvertierender Operationsverstärker: pH-Messung Subtrahierer Impedanzwamdler (ohne Rückkopplungswiderstand) +12V -12V Invertierer Nichtinvertierer 08. April 2017 www.ibn.ch Version 1 5 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER 17.2.3 Seite Summierender Operationsverstärker Fachbuch Seite 215, 219, 551 Die Schaltung ist eng mit dem invertierenden Verstärker verwandt, dieser ist jedoch um mehrere Eingänge erweitert. Am Summierer ist die Ausgangsspannung gleich der Summe der Eingangsspannungen U a R2 U e Ie U e1 U e 2 U e 3 R11 R12 R13 Pin-Belegung am Operationsvetrstärker 741 U U U U a R2 e1 e 2 e 3 R R R13 12 11 VU Spannungsverstärkungsfaktor Ua Ausgangsspannung Ue Eingangsspannungen R2 Rückkopplungswiderstand R1 Eingangswiderstände am invertierenden Eingang Anwendungen Invertierender Operationsverstärker: Spannungsverstärker Addierer / Summierer Subtrahierer Strom-Spannungswandler (ohne Eingangswiderstand) Differenzierer Integrierer Beispiel: Welche Spannung erhält man am Ausgang eines Operationsverstärkers, wenn die Eingangsspannungen U e1 U e 2 U e3 0 ,2 V betragen, die Widerstände R11 R12 R13 5,0 k sind und ein Rückkopplungswidwerstand von R2 30 k eingesetzt wird? Signalverstärker Alle Audio-Operationsverstärker LME497 warten mit überragenden Leistungsdaten auf. VerstärkungsBandbreiten von 20MHz bis 55MHz und schnelle Anstiegszeiten (slew rates) von 20V/µs garantieren eine exzellente Verstärkung von AudioSignalen. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 1 6 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER 17.2.4 Seite Subtrahierender Operationsverstärker Bei einem Differenzverstärker wird der Operationsverstärker so beschaltet, dass er gleichzeitig wie ein invertierender und ein nichtinvertierender Verstärker funktioniert. Am Subtrahierer ist der Ausgang gleich der Differenz der Eingangsspannungen Sind die Widerstände R3 R1 und R4 R2 so folgt: Ua Ua Fachbuch Seite 215, 219, 551 ( R1 R2 ) R4 R U e 2 U e ( R3 R4 ) R1 R1 Chip-Aufnahme eines schnellen Operationsverstärkers 741 Der Spezialfall mit R1 R2 : R2 U e U e R1 U a U e U e VU Spannungsverstärkungsfaktor Ua Ausgangsspannung Ue Eingangsspannungen R2 Rückkopplungswiderstand R1 Eingangswiderstand am invertierenden Eingang R3, R4 Eingangswiderständ am nichtinvertierenden Eingang Anwendungen Invertierender Operationsverstärker: Spannungsverstärker Addierer / Summierer Subtrahierer Strom-Spannungswandler (ohne Eingangswiderstand) Differenzierer Integrierer Beispiel: Welche Spannung erhält man am Ausgang eines Operationsverstärkers, wenn die Eingangsspannungen U e1 5V und U e 2 3V betragen. Mit den Widerstände R1 R3 10 k , R2 R4 20 k und R2 20 k ist der OPV beschaltet! Subtrahierer 08. April 2017 www.ibn.ch Version 1 7 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER 17.2.5 Seite Integrierender Operationsverstärker Ein Integrierer ist eine Schaltung mit einer frequenzabhängigen Gegenkopplung, meistens in Form eines Kondensators. RC Bei einem konstanden Strom steigt die Ausgangsspannung linear an. Die Ausgangsspannung ändert sich proportional mit der Zeit, die von der Zeitkonstante R C und der Eingangsspannung abhängt VU Spannungsverstärkungsfaktor Ua Ausgangsspannung Ue Eingangsspannungen C Rückkopplungkondensator R Eingangswiderstand am invertierenden Eingang Fachbuch Seite 215, 219, 551 Anwendungen Invertierender Operationsverstärker: Spannungsverstärker Addierer / Summierer Subtrahierer Regler Strom-Spannungswandler (ohne Eingangswiderstand) Differenzierer Integrierer Beispiel: PID-Regker Schaltbild eines aktiven Tiefpassfilters 1. Ordnung 08. April 2017 www.ibn.ch Version 1 8 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER 17.2.6 Seite Differenzierender Operationsverstärker Auch beim Differenzierer werden frequenzabhängige Bauteile verwendet, allerdings nicht in der Gegenkopplung, sondern am Eingang der Schaltung. Je grösser die Änderung am Eingang umso grösser ist die Ausgangsspannung. RC VU Spannungsverstärkungsfaktor Ua Ausgangsspannung Ue Eingangsspannungen R Rückkopplungwiderstand C Eingangskondensator am invertierenden Eingang Fachbuch Seite 215, 219, 551 Anwendungen Invertierender Operationsverstärker: Spannungsverstärker Addierer / Summierer Subtrahierer Regler Strom-Spannungswandler (ohne Eingangswiderstand) Differenzierer Integrierer Filtereingang Beispiel: Ausführungen von Operationsverstärkern 08. April 2017 www.ibn.ch Version 1 9 TG 17 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN ELEKTRONIK UND DIGITALTECHNIK OPERATIONSVERSTÄRKER 17.2.7 Seite Impedanzwandelnder Oerationsverstärker Die Impedanzwandler oder Spannungsfolger genannte Schaltung stellt eine Variante des nichtinvertierenden Verstärkers dar. Der invertierende Eingang ist direkt mit dem Ausgang verbunden. Beim Impedanzwandler ist die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung. Ua Ue 10 Fachbuch Seite 215, 219, 551 V 1 R2 0 , R1 V Ua R 1 2 Ue R1 VU Spannungsverstärkungsfaktor Ua Ausgangsspannung Ue Eingangsspannungen R Rückkopplungwiderstand C Eingangskondensator am invertierenden Eingang Anwendungen Nichtinvertierender Operationsverstärker: pH-Messung Subtrahierer Impedanzwamdler (ohne Rückkopplungswiderstand) Pufferschaltung Hochohmiger Spannungsabgriff Beispiel: Die Impedanzwandler oder Spannungsfolger genannte Schaltung stellt eine Variante des nichtinvertierenden (linearen) Verstärkers dar. Der invertierende Eingang ist direkt mit dem Ausgang verbunden. Die direkte Gegenkopplung ergibt einen Verstärkungsfaktor von 1. Seine Ausgangsspannung entspricht bei normaler Funktion genau der Eingangsspannung, wovon sich auch der Name Spannungsfolger ableitet: Die Ausgangsspannung folgt direkt der Eingangsspannung. 08. April 2017 www.ibn.ch Version 1
