Operationsverstärker. ^ Springer Vi eweg. Grundschaltungen. Übungen und Aufgaben mit Lösungen. Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten.

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1 Joachim Federau Operationsverstärker Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen 7., erweiterte und überarbeitete Auflage Mit 366 Abbildungen, 8 Tabellen, Beispielen, Übungen und Aufgaben mit Lösungen ^ Springer Vi eweg

2 Itsverzeichni 1 Operationsverstärker: Kenndaten und Funktion Lemziele Schaltsymbol Kenndaten Kenndaten des idealen Operationsverstärkers Kenndaten typischer Operationsverstärker Funktionsbeschreibung Übertragungskennlinie Schaltsymbol, Aufbau und Kenndaten des 4fach-OPs LM Beispiele Übung und Vertiefung 8 2 OP-Grundschaltungen mit Gegenkopplung Der invertierende Verstärker Lernziele Eigenschaften von beschalteten Operationsverstärkern 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 32 IX

3 X Inhaltsverzeichnis 2.4 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 Frequenzgangs 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 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 83

4 Inhaltsverzeichnis XI 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 98 4 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 von Konzeption Rechenverstärkern Der Eingangs widerstand eines Rechenverstärkers Die Beeinflussung des Ausgangssignales durch eine Last Beispiele zu Rechenverstärkerschaltungen Übungen und Vertiefung Digital-Analog-Umsetzer und Analog-Digital-Umsetzer DA-Prinzip zum Beispiel DA-Summierverstärker Übung und Vertiefung zum Summierverstärker als DA-Wandler DA-Wandler-Prinzip mit R-2R-Netzwerk 148

5 XII Inhaltsverzeichnis 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 Pulsweitenmodulation Leistungs-PWM PWM mit standardisiertem astabilen Multivibrator Triggerschaltungen Netzsynchroner Sägezahngenerator Komparator-Schaltung: Einstellbarer Trigger OP-Anwendungen in Strom Versorgungsgeräten 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 symmetrisch-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 Sekundär getaktete Netzgeräte mit freilaufender Schaltfrequenz Die Funktionsweise sekundär getakteter Netzgeräte mit freilau fender Taktfrequenz Funktionsweise und Realisierung eines Sekundär-Schaltnetzteiles 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 230

6 Aktive Inhaltsverzeichnis XIII 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 Funktionsprinzip des FSK-Empfängers Funktionsbeschreibung zur Frequenzauswerteschaltung Operationsverstärker Vi-Vorverstärker Operationsverstärker V2 und V3 - Bandfilter Berechnungsbeispiel für ein aktives Bandfilter Die Demodulation Signalaufbereitung des demodulierten Signales Aktive Filter mit Operationsverstärker 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 ua Verstärkung und Zeitverhalten Frequenzgang des Operationsverstärkers Die Slewrate oder Anstiegsflanke Beeinflussung des Frequenzgangs durch Gegenkopplungsbeschaltung Übung und Vertiefung Stabilitätskriterien von beschalteten Operationsverstärkern Stabilitätskriterien nach dem Bode-Diagramm Stabilitätskriterien zum Phasen- und Amplitudengang Stabilisierungskriterien zum invertierenden Verstärker und Differenzierer Übung und Vertiefung Eingangsgrößen 318

7 XIV Inhaltsverzeichnis 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 Ausgangsstufenkonzeption von Rail-to-Rail- Operationsverstärkern Anwendungsbeispiele zu einem Rail-to-Rail-OP Übung und Vertiefung Die Austauschbarkeit von Komparator- und OP-ICs untereinander Problemstellung Der Standard-Komparator LM Standard-Komparatorschaltung 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 LTspicelV/SWCADIII Installation Kurzanleitung zum Programm Umfangreichere und komplexere Schaltungen in LTspice IV/SWCADIII Die Frequenzauswerteschaltung aus Kap. 6 chapter Grundsätzliches zur Programmierung Empfehlung Projektierung eines Lade-Schaltreglers für Li-Ion-Akkus Einführung Die Ladetechnik eines Li-Ion-Akkus Das Funktionsschaltbild des Lade-Schaltreglers für Li-Ion-Akkus

8 Inhaltsverzeichnis XV 10.4 Die Funktionsbeschreibung zum Lade-Schaltregler Die Referenzspannungsgewinnung Der Funktionsgenerator Der PWM-Komparator mit Leistungsteil Die Strombegrenzung Messumformer mit I-Regler Die Funktionsbeschreibung zum Anzeigeteil Die LED-Kaskade für die Strombereichsanzeige Temperaturüberwachung und Versorgungsspannungskontrolle Bauteile-Empfehlungen Operationsverstärker und Transistoren Die Bedingungen zur Verwendung eines Tasters im Leistungsteil Anhänge zum Projekt Li-Ion-Regler Die Verwendung des Leistungsteils als Li-Ion-Laderegler ohne Anzeigeteil Die Verwendung des Leistungsteils zur Aufladung von Smartphones Die Gesamtschaltung des Anzeigenteiles Ein Beispiel für die Gesamtschaltung auf einer Euro-Lochstreifenplatine Die praktische Ausführung des Li-Ion-Ladereglers Das Schlusswort zum Projekt 442 Lösungsanhang 445 Informative Internetadressen zum Themenbereich des Operationsverstärkers. 569 Sachverzeichnis 571