EN Analogtechnik 50
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GIBZ Operationsverstärker 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 ausge- 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 DreieckSymbol verwendet man für Signalflusspläne neue Symbole in Rechteckform. Das Zeichen für Unendlich weist auf die sehr grosse Verstärkung des Operationsverstärkers hin. geben. 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. Aussteuerbereich Ausgangsspannung U2 5. Analogtechnik Elektronik 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -0,3 -0,2 0,2 0,3 Differenzeingangsspannug U1 inve rtierte r E in gan g +U b A usg an gssp an nun g + nich t inv ertie rter E in gan g -Ub 0 - ∞ + + Schaltzeichen nach DIN 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. Operationsverstärker haben hohe Spannungsverstärkung, hohen Eingangsinnenwiderstand und kleinen Ausgangsinnenwiderstand. M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5 - 1 GIBZ Schaltbild des Standardoperationsverstärkers 741. 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 5.1 Analogtechnik Elektronik Chip-Aufnahme eines schnellen Operationsverstärkers. betrachtet werden. Der besseren Übersichtlichkeit wegen werden im Schaltplan gewöhnlich die Anschlüsse für die Stromversorgung und die Anschlüsse für eine eventuelle OffsetKompensation und Frequenzkompensation nicht dargestellt. Invertierender Verstärker Die Ausgangsspannung ist entgegengesetzt gepolt zur Eingangsspannung. Schaltung: Symbol: R1 Ua = - R1 Ue R2 M. Forster, EN Analogtechnik 50 Vu = R2 Ua R1 R2 Ue Vu Ausgangsspannung Rückkopplungswiderstand Eingangswiderstand Eingangsspannung Spannungsverstärkungsfaktor Seite: 5 - 2 GIBZ Analogtechnik Elektronik sehr kleinen Eingangsruhestromes I1 kann man zwischen dem nichtinvertierendem Eingang und Masse den Widerstand Rp schalten. Dabei wählt man Rp ≅ RK ll Re. In vielen Fällen kann man Rp weglassen und den nichtinvertierenden Eingang direkt mit Masse verbinden. Mit der Schaltung als Umkehrverstärker wird eine Spannung Ue im Vorzeichen umgekehrt und im Betrag vergrössert oder verkleinert. Hierzu beschaltet man den Operationsverstärker mit einem Gegenkopplungswiderstand RK und einem Eingangswiderstand Re. Zur Kompensation der Spannungsverschiebung infolge des Beispiel: Eine Messsignalspannung Ue beträgt +/- 2,5 V und soll +/- 10 V verstärkt werden. Der Widerstand R2 für die Signalquelle soll grösser oder gleich 10 kΩ sei. Bestimmen Sie die Beschaltungswiderstände. 5.2 Nicht invertierender Verstärker Die Ausgangsspannung ist gleich gepolt zur Eingangsspannung. Schaltung: R1 Ua = (1 + R1 ) Ue R2 M. Forster, EN Analogtechnik 50 Vu = 1 + R2 Ua R1 R2 Ue Vu Ausgangsspannung Rückkopplungswiderstand Eingangsquerwiderstand Eingangsspannung Spannungsverstärkungsfaktor Seite: 5 - 3 GIBZ Analogtechnik Elektronik Beim nichtinvertierenden Verstärker haben Eingangsspannung und Ausgangsspannung gleiches Vorzeichen. Die Eingangsspannung Ue wird über R3 an den nichtinvertierenden Eingang angeschlossen. Dieser Widerstand dient lediglich zur Verminderung des Eingangsruhestromes und kann auch weggelassen werden. Der Eingangsstrom Ie ist wegen des hochohmigen Eingangsinnenwiderstandes des Operationsver- stärkers sehr klein. Der Spanngserzeuger mit der Spannung Ue wird daher kaum belastet. Die Ausgangsspannung Ua wird zum invertierenden Eingang über den Rückkopplungswiderstand R1 zurückgeführt. Der rückgekoppelte Strom IK fliesst wegen I1 ≈ 0 nahezu unverändert über RQ. Wegen der hohen Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers ist U1 ≈ 0 V. Beispiel: Welche Spannung erhält man am Ausgang, wenn die Eingangsspannung Ue = 0,1 V, R1 10 kΩ und R2 1 kΩ beträgt? 5.3 Summier - Verstärker Die Ausgangsspannung ist gleich der Summe der Eingangsspannungen. Schaltung: *Ua = - (Ue1 + Ue2 + ….) Ua = v1 • Ue1 + v2 • Ue2 … Ua R1 R2-4 Uex vx v1 = − R1 R2 v2 = − R1 R3 Ausgangsspannung Rückkopplungswiderstand Eingangswiderstände Eingangsspannungen Verstärkungsfaktor * falls alle Widerstände gleich gross sind M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5 - 4 GIBZ 5.4 Analogtechnik Elektronik Subtrahier – Verstärker (Differenzverstärker) Die Ausgangsspannung ist gleich der Differenz der Eingangsspannung. Schaltung: v1 = − R1 R2 R1 R2 v2 = R4 1+ R3 1+ Ua R1 R2-4 Uex *Ua = - Ue1 + Ue2 Ua = v1 • Ue1 + v2 • Ue2 Ausgangsspannung Rückkopplungswiderstand Eingangswiderstände Eingangsspannungen * falls alle Widerstände gleich gross sind 5.5 Integrier - Verstärker Bei einem konstanten Strom steigt die Ausgangsspannung linear an. Schaltung: d ∆ua = − Ue • ∆t R2 * C M. Forster, EN Analogtechnik 50 Ue ∆Ua R2 C ∆t Eingangsspannung Ausgangsspannungsänderung Eingangswiderstand Kopplungskondensator Zeitdauer der Änderung Seite: 5 - 5 GIBZ 5.6 Analogtechnik Elektronik Differenzier - Verstärker Je grösser die Änderung am Eingang umso grösser die Ausgangsspannung. Schaltung: Ua = − R1 • C • R1 C Ua ∆ue ∆t 5.7 ∆ue ∆t Rückkopplungswiderstand Eingangskondensator Ausgangsspannung Eingangsspannungsänderung Zeitdauer der Änderung Impedanzwandler (Spannungsfolger) Beim Impedanzwandler ist die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung. Schaltung: Ua = Ue R1 = 0, R2 = ∞ Vu = 1 Bei einem Spannungsfolger soll die Ausgangsspannung Ua gleich der Eingangsspannung Ue sein. Der Eingangswiderstand der Gesamtschaltung soll sehr hochohmig sein, um die 5.8 Ua R1 R2 Ue Vu Ausgangsspannung Rückkopplungswiderstand Eingangsquerwiderstand Eingangsspannung Spannungsverstärkungsfaktor Spannung Ue nicht zu belasten und der Ausgangsinnenwiderstand soll klein sein, um ohne Spannungseinbruch belastbar zu sein. Anwendungen des Operationsverstärkers Regelungstechnik (P-I-PI-PD-PID-Regler, Komparator) Messtechnik (als Volt- und Ampere- Ohmmeter), Präzisionsgleichrichter Rechentechnik (Verstärker, Addierer, Integrator, Differentiator, Multiplizierer, Funktionsgenerator M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5 - 6
