3 Der Operationsverstärker

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Alexander Schenck
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1 Grndlgn intgrirtr Anlogschltngn in Bipolrtchnologi 3-3 r Oprtionsrstärkr 3. Grndlgn intgrirtr Anlogschltngn in Bipolrtchnologi Mit Hilf dr monolithischn Intgrtion on ktin (Trnsistorn) nd pssin (Widrständ, Kondnstorn) Blmntn knn in hoh Schltngskomplxität f klinstm m rlisirt sowi in hoh Zrlässigkit nd Wirtschftlichkit rzilt wrdn. r Afgbnbrich intgrirtr Anlogschltngn rstrckt sich f Oprtionsrstärkr, Phs-Lockd-Loop-Schltngn, Zitgbrschltngn, Spnnngsrglr, Mltiplizirr, HF-, ZF- nd F-Vrstärkr, kompltt ndfnkmpfängrschltngn nd intgrirt Snsorn. Trotz dr Typnilflt stzn sich Anlogschltngn im llgminn s rhältnismäßig infchn, immr widrkhrndn Grndbstinn zsmmn. Es wird orwignd di Bipolrtchnologi ingstzt. Grndsätzlichr Afb inr intgrirtn bipolrn Anlogschltng: T T Q U o

2 3- r Oprtionsrstärkr T Q U o Al n p p+ E B C n p + p n + T 3. r Afb on Oprtionsrstärkrn Währnd bi normln Vrstärkrn di Eignschftn orggbn sind, knn bi Oprtionsrstärkrn di Wirkngswis übrwignd drch in äßr Ggnkopplngsbschltng bstimmt wrdn. Um dis z rmöglichn, wrdn Oprtionsrstärkr ls glichspnnngsgkopplt Vrstärkr (Eingngs- nd Asgngspotntil ll) rlisirt. Typisch Chrktristikn sind - hoh Spnnngsrstärkng - hohr Eingngswidrstnd - nidrigr Asgngswidrstnd.

3 r Afb on Oprtionsrstärkrn 3-3 Um di gwünschtn Chrktristikn rlisirn z könnn, sind mhrr Vrstärkrstfn notwndig. Ein typischr Afb ist nchfolgnd drgstllt: +U o +U o +U o I 0 µa I 300 µa U T T U P T 7 T 8 U T 5 llp. T 3 T 4 I K llp. T 6 kw kw -Uo -Uo -Uo -Uo iffrnzrstärkr Kopplstf Komplmntär - Endst. Ein typischr Oprtionsrstärkr stzt sich s inm Eingngsdiffrnzrstärkr, inr Kopplstf nd inr Endstf zsmmn. Eingngsdiffrnzrstärkr: i Trnsistorn T, T bildn dn Eingngsdiffrnzrstärkr. i Stromqll T 4 dint ls Arbitswidrstnd für T. Si bildt zsmmn mit T 3 inn Stromspigl für dn Kollktorstrom on T. i Emittrnschlüss T 3 nd T 4 dinn zr llpnktinstllng. r Asgngsstrom ds Eingngsrstärkrs I K rgibt sich z: I I I K C C As disn Gründn wrdn glichphsig Ändrngn dr Kollktorström ntrdrückt (hoh Glichtktntrdrückng).

4 3-4 r Oprtionsrstärkr i Klinsignlrstzschltng dr Eingngsstf ist nchfolgnd drgstllt. - P r g m r K r CE r K CE4 g m IC I ( kt ) ( kt ) dr iffrnzrstärkr mit Stromqlln btribn wird, ist g m g (sih.0). bi prktischn Oprtionsrstärkrn di Eingngstrnsistorn s jwils zwi Trnsistorn zsmmngstzt sind, mß di Stilhit hlbirt wrdn: I gm 0, ms 4 ( kt ) r r MΩ CE CE 4 8 Mit rk MΩ rgibt sich in Spnnngsrstärkng on 66. i Kopplstf: i Kopplstf ist ls in rlingtonstf sgführt (T 5, T 6 ). Si wird on dr Stromqll I 300 µa rsorgt. Klinsignlrstzschltbild: m K r K g mk K K r r K r E i

5 r Afb on Oprtionsrstärkrn 3-5 I A g 300µ mk 3 ( kt ) 5 ( 0 V ) 6mS r K ( kt ) ( ) rbe ββ MΩ β β 00 I r i 70 kω r Kd 0 kω (Innnwidrstnd dr Stromqll, s Mssng) (s Mssng) Mit r E 00 kω rgibt sich in Spnnngsrstärkng on K 450. i Endstf: i Endstf wird drch in Ggntkt-Listngsndstf gbildt (T 7, T 8 ). Ihr Spnnngsrstärkng bträgt. r Eingngswidrstnd ds Emittrfolgrs ist r E β L (sih.7). Mit L kω m Asgng ds Oprtionsrstärkrs bträgt r E 00 kω. Erstzschltbild ds Oprtionsrstärkrs: K - P r g m r CE r CE4 r K g mk K r K r i r E iffrnzrstärkng: K 0 5

6 3-6 r Oprtionsrstärkr Schltbild ds Oprtionsrstärkrs: +Uo P llp. (Offstbglich) -Uo Vrinfchts Schltbild: P 3.3 i Eignschftn ins Oprtionsrstärkrs P i L iffrnzrstärkng (opn loop gin): d 0 5 d Typischr Vrlf dr Asgngsspnnng ls Fnktion dr Eingngsspnnng ins nicht rückgkoppltn Vrstärkrs:

7 i Eignschftn ins Oprtionsrstärkrs /V/ mit Offstbglich ohn Offstbglich /µv/ -5 Glichtktrstärkng: Am nd P Eingng ligt di Spnnng G n. G Glichtktntrdrückng (common mod rjction rtio): G 0 K0 G 4 5 r Frqnzgng ins Oprtionsrstärkrs rläft wi bi inm Tifpß rstr Ordnng: + j f f g f g ist di 3 db Grnzfrqnz dr Vrstärkng. Bi dr Trnsitfrqnz f T ist di Vrstärkng ds Oprtionsrstärkrs. f fg ft

8 3-8 r Oprtionsrstärkr Typisch Grnzfrqnzn sind f g 0 Hz. i Trnsitfrqnzn lign bi f T MHz. Frqnzgng ds Oprtionsrstärkrs: /db/ db pro kd 0 00 k 0k 00k M 0M f g f T f /Hz/ r Eingngswidrstnd: Mn ntrschidt dn iffrnz- nd dn Glichtktingngswidrstnd. I B+ r G r MΩ I P r i r G GΩ I I B - r G Eingngsrhstrom (inpt bis crrnt): ( + ) I I + I B B B Typisch Wrt lign bi I B 80 na

9 r rückgkopplt Oprtionsrstärkr r rückgkopplt Oprtionsrstärkr Prinzip dr ückkopplng: - k - Vrstärkr k ückkopplngsntzwrk, k ( ) k k: ückkopplngsfktor + k + k + g g: Schlifnrstärkng g k Mit k >> rgibt sich: k Untr disr Vorsstzng lgt di äßr Bschltng ds Oprtionsrstärkrs sin Eignschftn (Vrstärkng) fst. chdm bi ückkopplng ds ückkopplngsntzwrk witghnd di Eignschftn bstimmt, tritt rst bi hohn Frqnzn in so drstisch dktion dr Lrlfrstärkng in, so dß dnn dr Frqnzgng ds Oprtionsrstärkrs widr on dr Lrlfrstärkng bhängt.

10 3-0 r Oprtionsrstärkr /db/ /k k 0k 00k M 0M f g f T f /Hz/ + k f j k fg 3.5 Oprtionsrstärkrschltngn 3.5. r nichtinrtirnd Vrstärkr 0 i i 0 Bi dr Brchnng on Oprtionsrstärkrschltngn ght mn on folgndn Vorsstzngn s: - wgn >> ist 0 - di Eingngsström (I, I p ) sind rnchlässigbr mit knn di orhrghnd Schltng drch Anwndn dr Mschn- nd Knotnpnktrgl brchnt wrdn: i i

11 Oprtionsrstärkrschltngn 3- + i + i n 0 + i + Vrstärkng: + Eingngswidrstnd: i I B+ r G r I B- r G g g r d G G G di ( gr r ) r Ω Asgngswidrstnd: r G r + k r g Bispil: 0 5, 0, g 0 4, r kω, r G 0, Ω

12 3- r Oprtionsrstärkr 3.5. r inrtirnd Vrstärkr i 0 0 Mit 0 nd i 0 gilt: i i + 0 i Vrstärkng: Eingngswidrstnd: r Asgngswidrstnd: r G r g r ( k ) r

13 Oprtionsrstärkrschltngn r Addirr n n K n n r Sbtrhirr 0 P p p + p i p + p Mit + i + + p 0 p p gilt: ( ) p + + p

14 3-4 r Oprtionsrstärkr r iffrnzirr i i C i C d dt i + 0 C d dt r Intgrirr i i C i 0 C idt + æ ö C dt - ò ç è ø C dt

15 Oprtionsrstärkrschltngn r Spnnngsfolgr r Instrmntnrstärkr 4 I I - I( + ) 4 + ( ) 3

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