Operationsverstärker. Martin Johannes Hagemeier

Transkript

1 Operationsverstärker Martin Johannes Hagemeier

2 Gliederung Bezeichnungen & Schaltzeichen Funktion (ideales ESB) Eigenschaften des idealen & realen OV Aufbau am Beispiel des µa741 Anwendung

3 Bezeichnung Abkürzungen für den Operationsverstärker OP OV OPV OpVer OpAmp (engl. Operational Amplifier) OA

4 Schaltzeichen OV mit Versorgungsanschlüssen OV ohne Versorgungsanschlüsse nach DIN (veraltet) Schaltzeichen nach DIN (aktuell) Quelle: Patrick Schnabel: Elektronik-Fibel. 2012

5 Funktion (ideales ESB) Gesteuerte Spannungsquelle U a = U D G Nichtideale OVs haben eine endliche Geradeausverstärkung G. Die vielseitigen Funktionen ergeben sich aus der Beschaltung. (siehe Anwendung) Quelle:

6 Funktion (Kennlinie) Quelle:

7 Eigenschaften eines idealen OVs Unendlich großer Verstärkungsfaktor V Unendlich großer Eingangswiderstand R e Ausgangswiderstand R a gleich Null Frequenzbereich von Null bis unendlich Vollkommen symmetrisch Bei gleichen Eingangsspannungen die Ausgangspannung Null Keine Verzerrung, kein Rauschen und keine Temperaturabhängigkeit Linearer Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung

8 Vergleich zum realen OV Kenngröße Idealer OV Realer OV Verstärkungsfaktor V unendlich ca Eingangswiderstand R e unendlich Ω 1MΩ bis 1000MΩ Untere Grenzfrequenz f min 0 Hz 0 Hz Unity-Gain-Frequenz- Bandbreite unendlich Hz >100 MHz Offset-Spannung 0 V ca. 100 µv Quelle: Patrick Schnabel: Elektronik-Fibel. 2012

9 Prinzipieller Aufbau des OV 1. Eingangsstufe ist immer ein Differenzverstärker 2. Zweite Verstärkerstufe (mit Frequenzgangkompensation) 3. Kurzschlusssicherung 4. Gegentaktverstärker Quelle: Patrick Schnabel: Elektronik-Fibel. 2012

10 Aufbau µa471: Quelle:

11 µa471: (1968) Quelle:

12 Anwendung Der OV ist ein universelles Bauteil. Der OV als Verstärker Schwingungserzeuger Schalterstufe Subtrahier- und Addierschaltungen aktives Filter uvm

13 OV als Impedanzwandler Auch Spannungsfolger genannt Verstärkung: 1 Ausgangsspannung folgt direkt der Eingangsspannung Eingangswiderstand (positiver Eingang) sehr hoch Ausgangswiderstand im Vergleich sehr klein Quelle:

14 OV als Impedanzwandler Berechnung: U P = U e U N = U a U a = G U D U a = G (U P U N ) U a = G (U e U a ) /U a 1 = G ( U e 1) /G U a 1 G = U e 1 U a U e = U a G U e = 1 U a U a = U e lim G Quelle:

15 OV als nichtinvertierender Verstärker Berechnung: U P = U e R 1 U N = U a R 1 + R 2 U a = G U D U a = G (U P U N ) U a = G (U e U a R 1 ) R 1 +R 2 /U a 1 = G ( U e R 1 ) U a R 1 +R 2 1 G = U e R 1 U a R 1 + R 2 /G Quelle:

16 U P = U e U N = U a OV als nichtinvertierender Verstärker R 1 R 1 + R 2 U a = G U D U a = G (U P U N ) U e = 1 + R 1 U a G R 1 +R 2 lim G U a = G (U e U a R 1 R 1 +R 2 ) 1 = G ( U e R 1 ) U a R 1 +R 2 1 G = U e R 1 U a R 1 + R 2 /U a /G U e = R 1 U a R 1 + R 2 U a = U e R 1 + R 2 = U R e (1 + R 2 ) 1 R 1 Quelle:

17 Literaturverzeichnis Schnabel, Patrick: Elektronik-Fibel (Stand ) (Stand )

18 Fragen?

19 Anschlüsse nichtinvertierender (+) Eingang ist immer hochohmiger Spannungseingang Invertierender (-) Eingang ist typabhängig Hochohmiger Spannungseingang (herkömmlicher OV) Niederohmiger Stromeingang Ausgang ist typabhängig Niederohmiger Spannungsausgang (herkömmlicher OV) Hochohmiger Sromausgang 4 verschieden Typen: VV-OV: herkömmlicher OV CV-OV: Stromrückgekoppelter OV VC-OV: Transkonduktanzverstärker CC-OV: Stromverstärker

20 OV als aktives Tiefpassfilter 1. Ordnung Verstärkung: v = R 2 R 1 U a = U e R 2 R 1 X c X c 2 +R 2 2 Grenzfrequenz f c = 1 2πR 2 C Vorteil: Frequenzgang ist unabhängig von der am Ausgang angeschlossenen Last Quelle:

21 OV als invertierender Verstärker Verstärkung: v = R 2 R 1 U a = v U e = R 2 R 1 U e Quelle:

22 OV als Strom-Spannungs-Wandler Eingangstrom I e wird in eine proportionale Spannung U a gewandelt U a = R I e Quelle: