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Operationsverstärker Von Elyane Charline Nwokam chimi Operationsverstärker Inhaltverzeichnis Inhalt..................................................................................................1 1. Einleitung...............................................................................................2 1.1 Was sind Operationsverstärker.....................................................................2 1.2 Aufbau und Beschaltung..............................................................................2 . 2. Idealer und Realer Operationsverstärker...............................................2 2.1 Allgemein.....................................................................................................3 2.3 Frequenzgang und Impulsverhalten.............................................................3 3. Grundschaltungen..................................................................................3 3.1 Gegenkopplung.............................................................................................3 3.1.1 Elektrometerverstärker.........................................................................3 3.1.2 Umkehrverstärker.................................................................................4 3.1.3 Anwendungsschaltungen......................................................................4 3.2 Mitkopplung.................................................................................................6 Operationsverstärker 1. Einleitung Ich werde in meinem Referat zuerst erklären was ein Operationsverstärker kurz OP oder OPV ist. Dann werde ich auf den Aufbau, die Beschaltung und die wichtigen Kenngrößen eines Operationsverstärkers eingehen. Anschließend werde ich einigen Grundschaltungen in denen OPV verwenden werden erläutern. 1.1 Was sind Operationsverstärker Operationsverstärkers sind Verstärkerschaltungen. Sie können als Spannungsverstärker eingesetzt werden und verstärken sowohl eine Gleichspannung als auch eine Wechselspannung. Sie bieten zum einem eine sehr hohe Verstärkung, zum anderem sind sie bis zur Gleichspannung als driftarme Verstärker einsetzar 1.2 Aufbau und Beschaltung OPV benötigen sowohl eine Positive und eine negative Eingangsspannung (auch P und N Eingang genannt) als auch eine positive und/oder negative Betriebspannung(+Ub und -Ub). Die Ausgangsspannung Ua = V(Up - Un) = V. Ud ist die Verstärkung der Eingangsdifferenzspannung Ud Der innere Aufbau eines Operationsverstärkers besteht aus einer DifferenzverstärkerEingangsstufe, einem Koppelstufe und einer Komplementär-Endstufe. 2. Idealer und realer OP Idealer OP Eigenschaft Realer OP Eingangswiderstand M Ausgangswiderstand 200 Leerlaufverstärkung 10000 bis 100000 Tiefpass 0 linear Frequenzverhalten -Ub bis +Ub Aussteuerbereich Ein idealer Operationsverstärker hat eine unendlich hohe Verstärkung, hat aber in der Praxis eine begrenzte Verstärkung, die allerdings immer noch sehr hoch ist 3Vweniger als Ub Operationsverstärker 2.1 Allgemein Der reale OPV hat nicht die Eigenschaften eines idealen OPV, deswegen findet man in Datenblättern eine Reihe von Kenngrößen. Der Offsetstrom bezeichnet den Unterschied zwischen den 2 Eingangsruheströmen Ip und In(Sie sind beim idealen OPV gleich), daraus ergibt sich Eine notwendige Offsetspannung Uoffs, um die richtigen Werte diese Ströme einzustellen(Ua = 0) 2.2 Frequenzgang und Impulsverhalten realer OPV Reale OPV haben in Transistoren Kapazitäten und Ausgangswiderstände, die wir nicht sehen können. Dadurch verhält sich jede Verstärkerstufe wie ein RC-Tiefpaß, der für die Frequenzen und das Impulsverhalten des OPV verantwortlich. 3. Grundschaltungen des OPV 3.1 Gegenkopplung Hier wird ein Teil des Ausgangsignals auf den Invertierenden Eingang so zurückgeführt, dass es dem Eingang entgegen wirkt. Die Gegenkopplung stellt die Ausgangsspannung so ein, dass die Eingang 3.1.1 Elektrometerverstärker Der Elektrometerverstärker bildet die Differenz von Spannungen , die Eingangsspannung liegt am (+) Eingang , außerdem ist der Eingangsignal zum Ausgangspannung gleichphasig. Operationsverstärker 3.1.2 Umkehrverstärker Hier wird die die Differenz von Strömen gebildet. Der Umkehrverstärker verstärkt die Spannungen und ändert deren Vorzeichen. Man spricht von virtueller Masse, weil er seine Eingänge auf den gleichen Potential halten möchte (Ud = 0). Deswegen stellen wir uns die Eingänge als zusammengebunden vor, R3 (R2) liegt also zwischen Ue und der virtuellen Masse vor. Da der OPV einen sehr großen Eingangwiderstand hat, fließt der gesamte Strom durch R4 (R2) . So bekommen wir die Formel Der Umkehrverstärker bildet die Differenz von Strömen , es gibt außerdem eine Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen Ein und Ausgangsspannung. Hier wird die Differenz von Strömen gebildet. 3.1.3 Anwendungsschaltungen a) Summieraddierer Er ist eine Anwendung des Invertierenden Verstärkers, mit dem Unterschied, dass der Eingangsstrom von mehreren Spannungen erzeugt wird. Operationsverstärker b) Subtrahierverstärker Er ist Anwendung des Invertierenden und nichtinvertierenden Verstärker .Er bildet die Differenz der Eingangsspannungen, wenn alle Widerstände gleich groß sind. . . c) Integrator Operationsverstärker Die Grundschaltung eines Integrator ist der Invertierende Verstärker. Bei einer Gleichspannung muss der OPV immer größere Spannungen aufbringen, weil sich der Kondensator auflädt und eine Gegenspannung aufbaut. Das wurde theoretisch unendlich lange dauern können , aber wie wir gesehen haben hat der Reale OPV seine Grenze durch die Betriebsspannung Eingangsspannung . Diese Schaltung integriert eine Eingangssignal über die Zeit und gibt das Ergebnis ununterbrochen aus. Die Integrationszeitkonstante ist = RC. 3.2 Mitkopplung Mit der Mitkopplung wird das Ausgangssignal so auf den Eingang zurückgeführt, dass das Eingangssignal verstärkt wird. Er wird auch verwendet, um die Übertragungsfunktion bei bestimmten Frequenzen zu stärken. Komparator Der Komparator vergleicht zwei Eingangsspannungen und zeigt digital an , welcher Eingang die größte Wert besitzt. Mit einer sehr kleinen Eingangsspannungsdifferenz tritt durch Störspannungen oder Rauschen ständiges Umschalten auf, der Ausgang ist also instabil. Deswegen sind die Komparatoren auch Kippschaltungen genannt. Um das zu vermeiden baut man eine Hysterese ein (einen mitgekoppelten Schmitt - Trigger). Operationsverstärker Der Ausgang der Schaltung kann nach wie vor nur +Ub oder –Ub annehmen. Der Spannungsteiler bestehend aus R1(Formel R2) und R2(Formel R3) teilt also das Signal entweder gegen die positive oder die negative Versorgungsspannung. Dadurch verschiebt sich der Umschaltpunkt nach oben bzw. nach unten. Die Hysterese lässt sich mit folgender Formel berechnen, wobei es sich bei ΔUa um die Differenz der beiden Versorgungsspannungen handelt. Operationsverstärker
