Operationsverstärker
-ufbau- bis Grundschaltungen mit Gegenkopplung
-ufbau- bis Grundschaltungen mit Gegenkopplung
Kartei Details
Karten | 23 |
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Sprache | Deutsch |
Kategorie | Elektronik |
Stufe | Berufslehre |
Erstellt / Aktualisiert | 17.11.2018 / 08.12.2020 |
Weblink |
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Einführung
Ein Operationsverstärker kann eigentlich überall dort eingesetzt werden, wo es erfordelich ist, elektrische Signale zu verstärken und wo keine grossen Ausgangsleistungen benötigt werden.
Differenzverstärker
Der Differenzverstärker ist ein direktgekopplter Gleichspannungsverstärker mit zwei Eingänge und zwei Ausgängen.
- Wir haben einen gemeinsamen Ermitterwiderstand!
- Ruhezustand U1 = U2 = 0V ⇒ IB1 = IB2 ungleich 0 !
- Es fliest einen Strom! IC1 = IC2 =10 mA ⇒ IE1 = IE2 ungefär 10 mA
- IE = IE1 + IE2 Ungefär 20 mA UA1 = 5V UA2=5V DeltaU = 0V
- Arbeitszustand U1 > 0V (zB. 10mV), U2 = 0V
- IB1 wird grösser → IC1 gröser (10mA) → UA1 wird kleiner (3V)
- IE1 wird grösser (zB. ≈ 12mA) → IE wird grösser → URE grösser
- UBE2 wird kleiner → IB2 kleiner → IC2 kleiner → UA2 wird grösser (zB. 7V) DeltaUe=10mV DeltaU= 4V
Gegentaktendstufe
Bei positiven Spannungen arbeitet V1 als Kollekterschaltung (Ermitterfolger). Bei negativen Spannungen ist es V2.
Achtung: Wir haben keine Spannungsverstärkung, nur eine Stromverstärkung. Wir haben keine Phasenverschiebung ( Phi=0°)
-Wir brauchen eine pos. und negative UB !
-Es hat keine Kondensatoren (Für AC & DC das gleiche Verhalten)
-Wir haben am Ausgang npn+pnp-Trans.
Eigenschaften eines idealen Operationsverstärkers
- Differenzverstärkung \(V_{u0}={U_A \over U_{pn}} = \infty\)Leerlaufspannungsverstärkung (LM741=200'000)
- Gleichtaktverstärung \(V_{CM}={U_0 \over U_{CM}}=0\) (LM741 = 0.000'032)
- Eingangswiderstand \(re=\infty \Omega\) (LM741 = 2MOhm)
- Ausgangswiderstand \(ra = O\Omega\) (LM741 = 50...300Ohm)
- Frequensbereich \(b=0...\infty Hz\) (LM741 = 1.5MHz)
Die idealen Wert werden vom realen OP nicht ereicht!
Ruhestrom-Stromoffset
Ip = Ruhestrom am nichtinvertierenden Eingang
In = Ruhestrom am Invertierenden Eingang
- Eingangsoffsetstrom \(I_{os} = I_p-I_n\) Input offset current (LM741 = 20nA)
- Mittlerer Eingangsstrom \(I_b = {I_p+I_n\over 2}\) Input bias Current (bias = ungünstig beeinflussen (LM741 = 80nA)
- Versorgungsruhestrom \(|I_B^+|=|I_B^-|\)Supply Current (LM741 = 1.7mA)
- Betriebsspannung \(|U_B^+| =|U_B^-|\)Supply Voltage (LM741 = max +/- 22V typ = +/- 15V)
- Leistungsaufnahme \(P_v = 2\times U_B\times I_B\) power consubtion (LM741 = 50mW)
- Max. Verlustleistung \(P_{v_{max}}=500mW\) power dissipalien
Ip und In muss in der Schaltung ein Gleichstromkreis bestehen.
\(U_B +U_{pn}-U_{R2} =0 \Rightarrow U_{pn}=U_{R2}-U_{R1}\)
\(U_{pn}=I_n\times R_2 -I_p\times R_1\)
in der Praxis werden normalerwise \(R_1=R_2=R \) gewählt.
\(U_{pn}=R(I_n-I_p)=R\times -I_{}os\)
Erkenntnis:
- Die Widerstände am Eingang(ausserhalb des OP) sollten mölicht gleich sein!
- Die Widerstände solten nicht zu hoch sein! (Normalfall R≈ 10kOhm)
Eingangs- und Ausgangswiderstände
Eingang:
- Gleichtakteingangswiderstand \(r_p = r_n = r_{CM}(10M\Omega)\) (Comen mode Input restistorce )
- Differenzeingangswiderstand \(r_{pn} \) (differential Input resistonce)
\(r_{CM} = 10...100\times r_{pn}\) Allgemein
- Invertierender und nichtinvertierender Betrieb
\(r_{cn}=r_n||r_{pn} \approx r_{pn}(\sim 1MOhm)\)
\(r_{cp}=r_p||r_{pn} \approx r_{pn} [\approx 10^7...10^{11}Ohm]\)
- Gleichtaktbetrib
\(r_{e_{cm}} =r_p||r_n={r_{cm}\over2} [\approx 10^8...10^{13}Ohm]\)
rpn ist kurzgeschlossen
ungewolte C aus schaltung&Transistoren
Ausgang:
\(R_{a0} = 50...300Ohm \) Induktives Verhalten
Sein widerstand steigt mit höherer Frequenz
Frequenzgang der Leerlaufverstärkung
f0 = Obere Grenzfrequenz, Abfall um 3dB (=70%)
ft = Transitfrequenz = fD = Durchtrittsfrequenz (Vu0 = 1)
b = Bandbreite = f0 - fu = f0 = (mit f0) deltaf
\(f_0 \times V_{u0_{DC}}=f_r\times 1=f_1 \times V_1=etc.\)
Verstärkungs-Bandbreitern-Proidunkt
mit fu = 0 (DC wird auch verstärkt)
wird die verstärkung verkleinert, so nimmt die bandbreite zu! → Die odere Grenzfrequenz wird grösser!
Serie-Spannungs-Gegenkopplung
- ) \(I_e=I_p \approx 0 \Rightarrow r_e \text{ ist sehr hochohmig}\)
- ) Durch GK \(U_{pn}\approx 0 \Rightarrow U_e \approx Ua\)
- ) \(I_n \approx 0 \Rightarrow \text{unbelasteter Spannungsteiler } R_1,R_2\)
- ) \(V_u={U_a\over U_e}={R_1+R_2\over R_2}={1+{R_1\over R_2}}\)
- )\(U_e =\text{Konstant} \Rightarrow U_{pn} \approx 0 \Rightarrow U_G \text{ ist Konstant} \Rightarrow I_q = \text{Konstant} \Rightarrow U_a =\text{ Konstant} \Rightarrow \)\(r_a \approx 0\Omega \text{ wir Haben eine ideale Spannungsquelle}\)
- ) Vumin = 1( Wenn R1 = 0 Ohm oder R2 = unendlich Ohm) Vumax = Vu0DC
- ) b = fgo = 180.5kHz f*1=fs0 * Vu/ fgo= fe/Ve1
Serie-Strome-Gegenkopplung
- ) \(I_e \approx I_p \approx 0 \)\(\Rightarrow r_e \text{ ist hochohmig}\)
- ) Upn ≈ 0 → Ue ≈ UG
- ) IN ≈ 0 → IL ≈ I
- ) Wenn Ue = konstant ⇒ Upn ≈ 0 → UG = Konst. →I = Konst. → IL = Konst (=12uA)
⇒ Konstandstromquelle.
r0 ≈ unendlcih Ohm (50...300Ohm = rra)
Hinweis: Hier spricht man nicht von Spannungsverstärckung, da am Ausgang der Strom von Interesse ist.
Parallel-Spannungs-Gegenkopplung
- ) Druch GK → Upn ≈ 0V
Eingang (+) liegt auf Masse →
Eingang (-) liegt ebenfals 0-Potential!
→Virtuelle Masse (Scheinbare Masse)
- ) Ue ≈ UR2 → \(I_e = {U_{R2}\over R_2}= {U_e \over R_2}\) re = R2 (eher niederohmig)
- ) In ≈ 0 → Ie ≈ IG
- ) UR1 = R1 * IG ≈ R1 * Ie = \(R_1 \times {U_e \over R_2} = -U_a\)
- ) \(V_u = {U_a \over U_e} = -{ R_1 \over R_2}\) Vmin = 0 Vmax = -Vu0
- ) Wenn Ue = Konst. → Ie = konst. → Ia = konst. ⇒ Ua = konst.
-Konstantespannungsquelle (ra = 0Ohm)
Parallel-Strom-Gegenkopplung
- ) Upn ≈ 0V → Virtuelle Masse
- ) Ue ≈ UR2 mit In ≈ 0 → \(I_G =I_e = {U_{R2}\over R_2} ={U_e\over R2} \)
- ) \(U_{R1} = R_1 \times I_G =R_1 \times {U_e \over R2}\)
- ) \(U_{R1} = U_{R3} \Rightarrow I_3 = { U_{R3} \over R3} ={ U_{R1} \over R3} ={ R_1{U_E\over R_2} \over R3} = U_e \times {R_1\over R_2 \times R_3}\)
- ) \(I_G+I_3 = I_L \) ⇒ UL ist negativ!
- ) Ue = Konstant → RL ändert sich
⇒ IL = Konstantstromquelle
ra ≈ unendlich
re ≈ R2 (niederohmig)
Zusammenfassung OP mit Gegenkopplung
- ) Ip ≈ o In ≈ 0
- ) Upn ≈ 0
- ) Serie-GK⇒re ist hochohmig
- ) Parallel-GK⇒re ist niederohmig (≈ R2)
- ) Spannungs-GK⇒ra ist niederohmig (≈ 0 Ohm)
- ) Strom-GK⇒ra ist hochohmig
- ) Serie-GK⇒ Nichtinvertierender Verstärker
- ) Parallel-GK→ Invertierender Verstärker ( Phi = 180°)
- ) GK heisst: ein Teil des Ausgangsignal
wird auf den inverrtierender Eingang zurückgeführt
Durch die GK werden die Einganschaften der Schaltung nur durch die externen Wiederstände bestimmt.
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