GIBZ Elektronik Analogtechnik. 5. Operationsverstärker

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1 5. Operationsverstärker Ein Operationsverstärker ist ein mehrstufiger, hochverstärkender, galvanisch gekoppelter Differenzverstärker. Er kann sowohl Gleichspannung als auch Wechselspannung verstärken. Der OP hat einen positiven und einen negativen Eingang. Die Differenz der beiden Spannungen wird verstärkt auf den Ausgang ausgegeben. Da die Verstärkung eines OPs sehr hoch ist, wird diese über eine Gegenkopplung (Widerstand vom Ausgang zum Eingang) angepasst. Über eine entsprechende Beschaltung kann man mit OPs neben den Grundschaltungen, wie Addierer und Subtrahierer, auch Filterschaltungen oder komplette Regler aufbauen. Besondere Eigenschaften sind die grosse Spannungsverstärkung, grosse Leistungsverstärkung, sehr grosser Eingangsinnenwiderstandund kleiner Ausgangsinnenwiderstand. Der Operationsverstärker hat zwei Anschlüsse für eine Differenzeingangsspannung U1 und einen Anschluss für die U2. ie U2 ist gegenüber der Differenzeingangsspannung im Vorzeichen umgekehrt. Beträgt die Differenzeingangsspannung z. B. 0,1 mv, dann ist die - 10V. Die Spannungsumkehr wird durch das Minuszeichen im Schaltzeichen gekennzeichnet. Der mit dem Minuszeichen gekennzeichnete Eingang heisst invertierender Eingang. Der andere Eingang, welcher mit einem Pluszeichen markiert ist, heisst nichtinvertierender Eingang. U2 Aussteuerbereich ,3-0,2 0,2 0,3 Differenzeingangsspannug U1 invertierter Eingang nicht invertierter Eingang - + +Ub -Ub 0 Neben dem alten Schaltzeichen mit Dreieck- Symbol verwendet man für Signalflusspläne neue Symbole in Rechteckform. Das Zeichen für Unendlich weist auf die sehr grosse Verstärkung des Operationsverstärkers hin Schaltzeichen nach DIN Operationsverstärker benötigen sowohl eine positive als auch eine negative Betriebsspannung gegenüber dem Bezugspotential der, z. B. gegenüber Masse. Die Betriebsspannungen betragen zwischen ± 5V und ± 18V. Operationsverstärker haben hohe Spannungsverstärkung, hohen Eingangsinnenwiderstand und kleinen Ausgangsinnenwiderstand. M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5-1

2 Schaltbild des Standardoperationsverstärkers 741. Chip-Aufnahme eines schnellen Operationsverstärkers. Grundschaltungen Die Operationsverstärker werden mit ohmschen und kapazitiven Widerständen beschaltet. Meist darf der Operationsverstärker als ein idealer Verstärker mit unendlich grossem Spannungsverstärkungsfaktor Vo unendlich grossem Eingangsinnenwiderstand R ie und sehr kleinem Ausgangsinnenwiderstand R ia betrachtet werden. Der besseren Übersichtlichkeit wegen werden im Schaltplan gewöhnlich die Anschlüsse für die Stromversorgung und die Anschlüsse für eine eventuelle Offset- Kompensation und Frequenzkompensation nicht dargestellt. 5.1 Invertierender Verstärker Die ist entgegengesetzt gepolt zur. Symbol: U a = - V u = - Vu Eingangswiderstand Spannungsverstärkungsfaktor M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5-2

3 Mit der Schaltung als Umkehrverstärker wird eine Spannung im Vorzeichen umgekehrt und im Betrag vergrössert oder verkleinert. Hierzu beschaltet man den Operationsverstärker mit einem Gegenkopplungswiderstand R K und einem Eingangswiderstand Re. Zur Kompensation der Spannungsverschiebung infolge des sehr kleinen Eingangsruhestromes I 1 kann man zwischen dem nichtinvertierendem Eingang und Masse den Widerstand R p schalten. Dabei wählt man R p R K ll R e. In vielen Fällen kann man R p weglassen und den nichtinvertierenden Eingang direkt mit Masse verbinden. Beispiel: Eine Messsignalspannung beträgt +/- 2,5 V und soll +/- 10 V verstärkt werden. Der Widerstand R2 für die Signalquelle soll grösser oder gleich 10 kω sei. Bestimmen Sie die Beschaltungswiderstände. 5.2 Nicht invertierender Verstärker Die ist gleich gepolt zur. U a = (1 + ) V u = 1 + Vu Eingangsquerwiderstand Spannungsverstärkungsfaktor M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5-3

4 Beim nichtinvertierenden Verstärker haben und gleiches Vorzeichen. Die wird über R 3 an den nichtinvertierenden Eingang angeschlossen. Dieser Widerstand dient lediglich zur Verminderung des Eingangsruhestromes und kann auch weggelassen werden. Der Eingangsstrom I e ist wegen des hochohmigen Eingangsinnenwiderstandes des Operationsverstärkers sehr klein. Der Spanngserzeuger mit der Spannung U e wird daher kaum belastet. Die U a wird zum invertierenden Eingang über den zurückgeführt. Der rückgekoppelte Strom I K fliesst wegen I 1 0 nahezu unverändert über R Q. Wegen der hohen Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers ist U 1 0 V. Beispiel: Welche Spannung erhält man am Ausgang, wenn die U e = 0,1 V, 10 kω und 1 kω beträgt? 5.3 Summier - Verstärker Die ist gleich der Summe der en. v1 = R2 v2 = R3 *U a = - ( ) = v1 U e1 + v2 U e2-4 x v x Eingangswiderstände en Verstärkungsfaktor * falls alle Widerstände gleich gross sind M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5-4

5 5.4 Subtrahier Verstärker (Differenzverstärker) Die ist gleich der Differenz der. v1 = R2 1+ v2 = R2 R4 1+ R3 *U a = = v1 U e1 + v2 U e2-4 x Eingangswiderstände en * falls alle Widerstände gleich gross sind 5.5 Integrier - Verstärker Bei einem konstanten Strom steigt die linear an. d ua = t R2* C C t sänderung Eingangswiderstand Kopplungskondensator Zeitdauer der Änderung M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5-5

6 5.6 Differenzier - Verstärker Je grösser die Änderung am Eingang umso grösser die. C ue t ue = C t Eingangskondensator sänderung Zeitdauer der Änderung 5.7 Impedanzwandler (Spannungsfolger) Beim Impedanzwandler ist die gleich der. U a = = 0, R2 = V u = 1 Vu Eingangsquerwiderstand Spannungsverstärkungsfaktor Bei einem Spannungsfolger soll die U a gleich der U e sein. Der Eingangswiderstand der Gesamtschaltung soll sehr hochohmig sein, um die Spannung U e nicht zu belasten und der Ausgangsinnenwiderstand soll klein sein, um ohne Spannungseinbruch belastbar zu sein. 5.8 Anwendungen des Operationsverstärkers Regelungstechnik (P-I-PI-PD-PID-Regler, Komparator) Messtechnik (als Volt- und Ampere- Ohmmeter), Präzisionsgleichrichter Rechentechnik (Verstärker, Addierer, Integrator, Differentiator, Multiplizierer, Funktionsgenerator M. Forster, EN Analogtechnik 50 Seite: 5-6