Joachim Federau. Operationsverstärker

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1 Joachim Federau Operationsverstärker

2 Joachim Federau Operationsverstärker Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen 5., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 532 Abbildungen STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Das in diesem Werk enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgend - einer Art verbunden. Der Autor übernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Höchste inhaltliche und technische Qualität unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der Produktion und Auslieferung unserer Bücher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf säure freiem und chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschweißfolie besteht aus Polyäthylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Ver brennung Schadstoffe freisetzen. 1. Auflage , durchgesehene Auflage , korrigierte und erweiterte Auflage , aktualisierte und erweitere Auflage , aktualisierte und erweiterte Auflage 2010 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2010 Lektorat: Reinhard Dapper Maren Mithöfer Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 V Vorwort zur fünften Auflage Die überaus positiven Rezensionen zu diesem Buch haben eine Neuauflage sinnvoll erscheinen lassen. Die Inhalte sind exemplarisch und deshalb wenig geändert worden. Die aktuelle technische Gegenwärtigkeit dieses Buches zeigt sich in einer angemessenen Beschreibung von PC-Schaltungssimulations-Programmen, der Anwendung moderner Railto-Rail-OPs und der Aufführung informativer Internetadressen zum Thema. Zielgruppen für dieses Buch sind insbesondere Autodidakten, Auszubildende in anspruchsvollen Industrieelektronikerberufen, Meister, Techniker, Ausbilder und Unterrichtende. Es ist als Einstieg in das Fachhochschulstudium im Bereich Elektronik ebenfalls gut geeignet. Der Leser soll für die qualitative und quantitative Abschätzung von Elektronikschaltungen sensibilisiert werden. Es ist das Ziel des Autors, den Leser in die Lage zu versetzen, Schaltungen auf Funktion, Berechenbarkeit, Änderungen und Verbesserungen beurteilen zu können. Die Konzeption des Buches stützt sich auf folgende Punkte: Die ersten drei Kapitel eröffnen das Grundverständnis für OP-Schaltungen hinsichtlich Funktion und Berechenbarkeit. Die nächsten Kapitel stellen Vertiefungsübungen dar. Sie können in unabhängiger Reihenfolge erarbeitet werden. Zu jedem Abschnitt bestehen durchgerechnete Beispiele. Die nachfolgenden Aufgabenstellungen können ohne Hilfestellungen weiterer Personen nachvollzogen werden. Hierzu ist ein ausführlicher Lösungsanteil vorgesehen. Für Unterrichtende sind die Lerninhalte und Vertiefungsübungen eine sehr gute Anregung für die Erstellung eigener neuer Aufgaben. Es sind nur verständnisfördernde Transferleistungen der fundamentalen Elektrotechnik wie Ohmsches und Kirchhoffsches Gesetz, Potenzialbetrachtungen und ähnliche Elementarkenntnisse notwendig. Durch den Verständniserwerb soll die Entwicklung eigener Schaltungen erleichtert werden. Schaltungsprinzipien sollen generalisiert werden können. Erworbenes Wissen kann durch Netzwerkanalyseprogramme kontrolliert und verifiziert werden. Eine Kurzbeschreibung zu einem attraktiven professionellen Analyseprogramm liegt vor. Dieses Programm der Firma Linear Technology kann kostenlos aus dem Internet bezogen werden. Damit eignet sich dieses Buch für die Begleitung von Lehrveranstaltungen und auch ganz besonders für das Selbststudium. Nindorf, im Februar 2009 Joachim Federau

5 VI Was man noch über dieses Buch wissen sollte! Darstellung der Schaltungen: Die Schaltungsdarstellungen variieren innerhalb anerkannter Normenmuster. So werden in Schaltungen für Bauteile folgende Bezeichnungen verwendet: 2k2 oder 2,2k entspricht 2,2 kω 1M2 oder 1,2M entspricht 1,2 MΩ 2R7 oder 4,7R entspricht 4,7 Ω usw. Gleiches gilt für die Bezeichnung von Kondensatoren. Die Bezeichnung von 2,2 kω oder 10 Ω ist in Schaltungsdarstellungen nicht so üblich, während in Textseiten die Bezeichnung 2k2 für 2,2 kω grundsätzlich vermieden worden ist. Im Text und insbesondere in Berechnungsaufgaben sind die Größen stets einheitengerecht mitgeführt. Die Leitungsführung und die entsprechenden Verbindungen sind wie folgt dargestellt: Stumpf aufeinanderstoßende Leitungen sind immer leitende Verbindungen. Ein zusätzlich eingetragener Knotenpunkt erhöht möglicherweise die Lesbarkeit einer Schaltung. Er ist aber nicht notwendig. Kreuzende Leitungen ohne Knotenpunkte sind nie miteinander verbunden. Einige fachdienliche Hinweise: Der Autor verwendet für den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers das Wort +Input und für den invertierenden Eingang den Begriff -Input. Der oft verwendete Begriff Spannungsabfall wurde durchgehend durch das Wort Spannungsfall ersetzt. Grundsätzlich sind alle Spannungen und Ströme mit richtungsorientierten Spannungs- und Strompfeilen versehen. Potenziale besitzen üblicherweise keine Spannungspfeile. Es sind Spannungsangaben, die sich auf das Bezugspotenzial von 0 V beziehen. Spannungs- und Strombezeichnungen entsprechen der üblichen Norm. Großbuchstaben sind für Gleichspannungs- und Effektivwerte verwendet worden. Sinusgrößen sind in der komplexen Rechnung entsprechend der Norm mit einem Unterstrich versehen. Kleinbuchstaben werden für Augenblickswerte verwendet. Die Bezeichnung Uss bedeutet Spitze-zu-Spitze-Wert einer Spannung. Folgende Schreibweisen werden angewendet: Uss = 5 V oder U = 5 Vss. Die Einheitenbezeichnungen Vss für den Spitze-zu-Spitze-Wert oder Veff für den Effektivwert werden aus Übersichtsgründen ebenfalls benutzt, auch wenn sie nicht unbedingt normgerecht sind.

6 Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis 1 Operationsverstärker: Kenndaten und Funktion Lernziele Schaltsymbol Kenndaten Kenndaten des idealen Operationsverstärkers Kenndaten typischer Operationsverstärker Funktionsbeschreibung Übertragungskennlinie Schaltsymbol, Aufbau und Kenndaten des 4fach-Operationsverstärkers LM Beispiele Übung und Vertiefung OP-Grundschaltungen mit Gegenkopplung Der invertierende Verstärker Lernziele Eigenschaften von beschalteten Verstärkern Die Funktionsweise des invertierenden Verstärkers Beispiele zum invertierenden Verstärker Übung und Vertiefung zum invertierenden Verstärker Die Addierschaltung Lernziele Die Funktionsweise der Addierschaltung Beispiele zum Addierer Übungen und Vertiefung zum invertierenden Verstärker und Addierer Die Konstantstromquelle Lernziele Die Funktionsweise der Konstantstromquelle Beispiele zur Konstantstromquelle Übungen und Vertiefung zur Konstantstromquelle Der Differenzverstärker Lernziele Die Funktionsweise des Differenzverstärkers Beispiele Übung und Vertiefung Der integrierende Verstärker Lernziele Grundschaltung des integrierenden Verstärkers Strom- und Spannungsverläufe am Kondensator Rechteckförmige Spannung am Integrator Beispiel zum Integrator mit Konstantstromeinspeisung Übungen und Vertiefung zum Integrator mit Konstantstromaufladung des Kondensators Sinusförmige Spannung am Integrator Darstellung des Frequenzganges im Bode-Diagramm Beispiel zum Integrator an Sinusspannung Übungen und Vertiefung zum Integrierer Der Differenzierer Lernziele Die Funktionsweise des Differenzierers Dreieckförmige Spannung am Differenzierer Sinusförmige Spannung am Differenzierer... 41

7 VIII Inhaltsverzeichnis Beispiel zum Differenzierer an Sinusspannung Übung und Vertiefung zum Differenzierer Der nichtinvertierende Verstärker und der Impedanzwandler Lernziele Das Prinzip der Gegenkopplung beim nichtinvertierenden Verstärker Funktionsweise und Berechnungsgrundlagen zum nichtinvertierenden Verstärker Beispiele zum nichtinvertierenden Verstärker Übungen und Vertiefung zum nichtinvertierenden Verstärker Mitgekoppelte Schaltungen Komparator ohne Hysterese Lernziele Funktionsweise Beispiel zum Komparator ohne Hysterese Übungen und Vertiefung zum Komparator ohne Hysterese Nichtinvertierender Komparator mit Hysterese Lernziele Funktionsweise Beispiele zum nichtinvertierenden Komparator Übung und Vertiefung zum nichtinvertierenden Komparator Invertierender Komparator mit Hysterese Lernziele Funktionsweise Beispiel zum invertierenden Komparator Übung und Vertiefung zum invertierenden Komparator Vertiefungsübungen zu OP-Schaltungen OP-Grundschaltungen Mit- und gegengekoppelte Grundschaltungen Zuordnung der Ausgangsspannung bei vorgegebenem Eingangssignal Messschaltung zur Temperatur- und Helligkeitsanzeige Funktionsbeschreibung zur Temperaturmessschaltung Dimensionierungsgesichtspunkte Funktionsbeschreibung zur Helligkeitsmessschaltung Dimensionierungsgesichtspunkte Beispiele Übungen und Vertiefung TTL-Logik-Tester mit Operationsverstärkern Signalzustände von Logikgattern Hinweise zum TTL-Logik-Tester Funktionsweise des Logiktesters Dimensionierung Umrechnung auf eine andere Betriebsspannung Der Überspannungsschutz Übungen und Vertiefung Universelle Messschaltung Umwandlung des Logiktesters zur universellen Messschaltung Übungen und Vertiefung Analogverstärker-Schaltungen Die Konzeption von Rechenverstärkern Der Eingangswiderstand eines Rechenverstärkers Die Beeinflussung des Ausgangssignales durch eine Last... 86

8 Inhaltsverzeichnis IX Beispiele zu Rechenverstärkerschaltungen Übungen und Vertiefung Digital-Analog-Umsetzer und Analog-Digital-Umsetzer DA-Prinzip Beispiel zum DA-Summierverstärker Übung und Vertiefung zum Summierverstärker als DA-Wandler DA-Wandler-Prinzip mit R-2R-Netzwerk Beispiel zum R-2R-Netzwerk Übungen und Vertiefung AD-Prinzip im Flash-Wandler Beispiel zum Flash-AD-Wandler Übung und Vertiefung Funktionsgeneratoren mit Anwendungsbeispielen Rechteck-Dreieck-Generator Funktionsweise eines Standard-Rechteck-Dreieck-Generators Berechnungsgrundlagen Pulsweitenmodulation Pulsweitenmodulation mit Rechteck-Dreieck-Generator Übung und Vertiefung Leistungs-PWM Technische Daten Funktionsbeschreibung Berechnungsgrundlagen Übung und Vertiefung Triggerschaltungen Netzsynchroner Sägezahngenerator Funktionsbeschreibung Dreieck-Sägezahnspannungsumwandlung Berechnungsgrundlagen Übung und Vertiefung Komparator-Schaltung: Einstellbarer Trigger Funktionsweise Übung und Vertiefung OP-Anwendungen in Stromversorgungsgeräten Konventionelle Netzgeräte mit Serienstabilisierung Die Funktionsweise der Serienstabilisierung nach regelungstechnischen Gesichtspunkten Aufbau und Wirkungsweise eines serienstabilisierten Netzgerätes Berechnungsgrundlagen Vor- und Nachteile der analogen Serienstabilisierung Beispiel zu einem Stromversorgungsgerät mit Serienstabilisierung Übung und Vertiefung Stromversorgungsgerät mit symmetrischer bipolarer Ausgangsspannung Funktionsweise und Dimensionierungsgesichtspunkte Übung und Vertiefung zum Netzteil mit bipolarer Spannungsversorgung Standard-Stromversorgungsgeräte mit Operationsverstärkern Aufbau der Standard-Schaltung Die dynamischen Eigenschaften des Standard-Netzteiles Übungen und Vertiefung

9 X Inhaltsverzeichnis 5.4 Sekundär getaktete Netzgeräte mit freilaufender Schaltfrequenz Die Funktionsweise sekundär getakteter Netzgeräte mit freilaufender Taktfrequenz Funktionsweise und Realisierung eines Sekundär-Schaltnetzteiles mit freilaufender Schaltfrequenz Berechnungsgrundlagen zur Schalthysterese des Komparators Berechnungsgrundlagen zum Tiefsetzsteller-Glättungsnetzwerk Funktionsweise Funktion und Berechnungsgrundlagen zum Kondensator im Tiefsetzsteller Dimensionierung von L und C des Tiefsetzstellers Übung und Vertiefung zum Tiefsetzsteller-Glättungsnetzwerk Berechnungsbeispiel zum Schaltnetzteil mit freilaufender Schaltfrequenz Übung und Vertiefung zum freilaufenden Schaltnetzteil Sekundär-Schaltnetzteil mit fester Schaltfrequenz Sekundär getaktetes Stromversorgungsgerät mit fester Schaltfrequenz Der Schaltregler L4960 und seine Beschaltung Beispiele zum Sekundär-Schaltregler Übung und Vertiefung Primär getaktete Stromversorgungsgeräte Die Funktionsweise eines primär geschalteten Stromversorgungsgerätes Beispiel zum primär getakteten Schaltnetzteil Übung und Vertiefung zu primär getakteten Netzteilen Übertragungsverfahren nach dem Frequency-Shift-Keying-Prinzip Allgemeines zum Frequency-Shift-Keying-Verfahren Blockschaltbild und Funktionsweise des FSK-Empfängers Funktionsbeschreibung zur Frequenzauswerteschaltung Operationsverstärker V1 - Vorverstärker Operationsverstärker V2 und V3 - Aktive Bandfilter Berechnungsbeispiel für ein aktives Bandfilter Die Demodulation Signalaufbereitung des demodulierten Signales Aktive Filter mit Operationsverstärkern Das Tiefpassfilter Das Bandfilter Übung und Vertiefung zur Frequenzauswerteschaltung Frequenzumtastung Berechnungsgrundlagen Übung und Vertiefung Kenndaten und Anwendungshinweise zum realen OP Kenndaten zum Operationsverstärker Die wichtigen Kenngrößen des Operationsverstärkers Tabellarische Übersicht über die wichtigen Kenngrößen Kenndaten des Operationsverstärkers μa Verstärkung und Zeitverhalten Frequenzgang des Operationsverstärkers Die Slewrate oder Anstiegsflanke Beeinflussung des Frequenzganges durch Gegenkopplungsbeschaltung Übung und Vertiefung

10 Inhaltsverzeichnis XI 7.3 Stabilitätskriterien von beschalteten Operationsverstärkern Stabilitätskriterien nach dem Bode-Diagramm Stabilitätskriterien zum Phasen- und Amplitudengang Stabilitätskriterien zum invertierenden Verstärker und Differenzierer Übung und Vertiefung Eingangsgrößen Eingangsgrößen und ihre Offsets Übliche Maßnahmen zur Offsetspannungskompensation Die Offsetkompensation am integrierenden Verstärker Rail-to-Rail-Operationsverstärker Die Rail-to-Rail-Konzeption Ausgangsstufen von Standard-Operationsverstärkern Ausgangsstufen von Rail-to-Rail-Operationsverstärkern Anwendungsbeispiele zu einem Rail-to-Rail-OP Schaltsymbol, Gehäuse und Kenndaten Messtechnische Bestimmung der Transitfrequenz Die Aussteuergrenzen Invertierender NF-Verstärker unipolarer Spannungsversorgung Standard-Vorverstärker mit unipolarer Spannungsversorgung Übung und Vertiefung Die Austauschbarkeit von Komparator- und OP-ICs untereinander Problemstellung Der Standard-Komparator LM Standard-Komparator-Schaltung mit Komparator-ICs und OP-ICs Komparatoren mit Hysterese Nichtinvertierender Komparator mit Hysterese Invertierender Komparator mit Hysterese Typische Komparator-Anwendungen mit Komparatoren und OPs Vorteile des Open-Collector-Ausgangs bei Komparatoren Signalzustandsanzeigen von Komparatoren-Schaltungen Komparatoren als analoge Verstärker Der nichtinvertierende Verstärker Der invertierende Analogverstärker Grundsätzliches zur Austauschbarkeit von OPs und Komparatoren Übung und Vertiefung zum Komparator LM Schaltungssimulation mit dem PC Die Vorteile in der Anwendung von Simulationsprogrammen Der preiswerte Zugang zu Simulationsprogrammen Kurzbeschreibung zum Programm LTspice IV / SWCADIII Installation Kurzanleitung zum Programm Umfangreichere und komplexere Schaltungen in LTspice IV / SWCADIII Die Frequenzauswerteschaltung aus Kapitel Grundsätzliches zur Programmierung Empfehlung Lösungsanhang Informative Internetadressen zum Themenbereich des Operationsverstärkers Sachwortverzeichnis