Operationsverstärker Taner Topal Projektlabor WS08/09 1

Transkript

1 Operationsverstärker Projektlabor WS08/09 1

2 Gliederung Grundwissen Schaltsymbol Grundbegriffe Innenschaltung Idealer Operationsverstärker Eigenschaften und Verhalten Realer Operationsverstärker Eigenschaften Grundschaltungen Komperator Impedanzwandler Strom-Spannungswandler Nicht-Invertierter Verstärker Invertierter Verstärker Subtrahierer Schmitt-Trigger Differenzierer Integrierer Quellen Projektlabor WS08/09 2

3 Grundwissen Schaltsymbole Quelle: Symbols of Opamp.svg auf Wikipedia von Fabian R (a) Übliche Variante ohne dargestellte Versorgungsanschlüsse (b) mit eingezeichneter Versorgung. (c) Das wenig gebräuchliche aber aktuelle Schaltsymbol Projektlabor WS08/09 3

4 Grundwissen Grundbegriffe Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 3 Projektlabor WS08/09 4

5 Grundwissen Grundbegriffe Differenzspannungsverstärkung U A = (U P - U N ) V D = U D V D V D = U A / U D Geradeausverstärkung U A = U E V U V U = U A / U E Projektlabor WS08/09 5

6 Grundwissen Grundbegriffe Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 3 Projektlabor WS08/09 6

7 Grundwissen Aussteuerbereich des OPV Normaler OPV Kann nicht bis zur vollen Betriebsspannung ausgesteuert werden. Single-Supply OPV Hat nur eine Versorgungsspannung (+U B ) und kann bis zur unteren Betriebsspannung (null) ausgesteuert werden. Rail-to-Rail OPV Kann bis zur vollen Betriebsspannung ausgesteuert werden. Projektlabor WS08/09 7

8 Grundwissen Vereinfachte Innenschaltung eines OPV Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 13 Eingangsstufe (Differenzverstärker) Umwandlung von U D in Ausgangsstrom Verstärkerstufe Ausgangsstrom in hohe Spannung Endstufe (Ausgangsstufe) Stromtreiber für den Ausgang Projektlabor WS08/09 8

9 Idealer Operationsverstärker Eigenschaften eines idealen OPVs Eingangswiderstand unendlich hoch I Bias = 0 Ausgangswiderstand null unverfälschte Ausgangsspannung Verstärkung unendlich hoch und frequenzunabhängig. Alle Offset-Spannungen und Leckströme sind null. Gleichtaktunterdrückung (CMRR) unendlich hoch U diff = 0 Keinerlei Rauschen Unendlich hohe Anstiegsrate (engl. slew rate) Projektlabor WS08/09 9

10 Realer Operationsverstärker Eigenschaften eines realen OPVs μa741 bei Raumtemperatur Eingangswiderstand 2 MΩ Ausgangswiderstand 75Ω Verstärkung des μa741 ca Alle Offset-Spannungen max. 7,5mV Gleichtaktunterdrückung (CMRR) 70dB bis 90dB Anstiegsrate (engl. slew rate) ca. 0,5 V/μs (relativ langsam) Rauchen bewegt sich im unteren μv-bereich Projektlabor WS08/09 10

11 Realer Operationsverstärker Eigenschaften eines realen OPVs Beispielrechnung zur CMRR Annahmen: CMR=80dB U E =5V V D =1000 Rechnung: U E U diff = CMRR =10V 10 =1mV 4 U A =V D U diff =1V Für die Sensoren evt. ein Problem wenn sich die Raumhelligkeit und somit die Spannung beider Photodioden gleichzeitig ändert. Projektlabor WS08/09 11

12 Grundschaltungen Komperator Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 42 Projektlabor WS08/09 12

13 Grundschaltungen Komperator mit verschiebbarer Schaltschwelle Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 43 Projektlabor WS08/09 13

14 Grundschaltungen Impedanzwandler Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 32 V U =1 Quelle wird nicht belastet z.b. können Sensorergebnisse unverfälscht ausgewertet werden. Projektlabor WS08/09 14

15 Grundschaltungen Strom-Spannungs-Wandler Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 34 V U = I Q R 2 Projektlabor WS08/09 15

16 Grundschaltungen Nicht-Invertierter Verstärker Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 31 V U =1 R 2 R 1 Projektlabor WS08/09 16

17 Grundschaltungen Nicht-Invertierter Verstärker Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 31 U A = R 1 R 2 I U E =R 1 I U A = R R I 1 2 U E R 1 I U A = R 1 R 2 R 1 Projektlabor WS08/09 17

18 Grundschaltungen Invertierter Verstärker Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 33 V U = R 2 R 1 Projektlabor WS08/09 18

19 Grundschaltungen Invertierter Verstärker Beispiel: R 1 =1k R 2 =4k U E =1V R Op 1M Wegen R Op können R 1 & R 2 als unbelasteter Spannungteiler angesehen werden. Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 33 U A = R 2 R 1 U E = 4k 1k V = 4V 1. Zeitfenster: U R1 =0,2V U R2 =0,8V U A =0V U D = 0,8V 2. Zeitfenster: 3. Zeitfenster: 4. Zeitfenster: U A = 1V U R1 =0,4V U R2 =1,6V U D = 0,6V U A = 2V U R1 =0,6V U R2 =2,4V U D = 0,4 V... Endzustand: U A = 4V U R1 =1,0V U R2 =4,0V U D = 0V Projektlabor WS08/09 19

20 Grundschaltungen Subtrahier- oder Differenzverstärker Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 39 U A =U E1 U E2 Projektlabor WS08/09 20

21 Grundschaltungen Schmitt-Trigger Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 45 Projektlabor WS08/09 21

22 Grundschaltungen Differenzierer Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 45 u A = RC u E t Projektlabor WS08/09 22

23 Grundschaltungen Integrierer Quelle: Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley, ADELE Operationsverstärker, TU-Berlin, Jahr 2008, Seite 45 u A = 1 RC t 0 u E t dt Projektlabor WS08/09 23

24 Quellen Wikipedia 2008 Vorlesung ADELE über OPVs, TU-Berlin bei Prof. Dr.-Ing. Sven Tschirley Datenblatt eines μa741 von Texas Instruments Projektlabor WS08/09 24

25 Fragen??? Projektlabor WS08/09 25