Kapitel 17.2 Operationsverstärker

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1 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 1 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE Kapitel 17. Operationsverstärker Bearbeitet durch: Niederberger Hans-udolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut Nidfurn Telefon P Telefax P hn@ibn.ch Web. Auflage 15. Dezemper 014 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 egler aufbauen. Besondere Eigenschaften sind die grosse Spannungsverstärkung, grosse Leistungsverstärkung, sehr grosser Eingangsinnenwiderstand und kleiner Ausgangsinnenwiderstand. Der Operationsverstärker hat zwei Anschlüsse für eine Differenzeingangsspannung 1 und einen Anschluss für die. ie 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. Neben dem alten Schaltzeichen mit Dreieck-Symbol verwendet man für Signalflusspläne neue Symbole in echteckform. Das Zeichen für nendlich weist auf die sehr grosse Verstärkung des Operationsverstärkers hin. 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. Version 3

2 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE Inhaltsverzeichnis BiVo Probleme umfassend bearbeiten Verstehen und anwenden Erinnern 17 ELEKTONIK, DIGITALTECHNIK ND POGAMMIENG 17. Operationsverstärker Invertierender Operationsverstärker 17.. Nichtinvertierender Operationsverstärker Summierender Operationsverstärker Subtrahierender Operationsverstärker Integrierender Operationsverstärker Differenzierender Operationsverstärker Impedanzwandelnder Oerationsverstärker BET Bearbeitungstechnik.1 Werkstoffe.1. Einteilung der Stoffe.1. Elektrische Eigenschaften Thermisches Verhalten Verwendung TG Technologische Grundlagen 3.3 Elektronik Dioden, Transistoren, Thyristoren, optoelektrische Elemente, betriebsabhängige Widerstände, einfache Diodenschaltungen, ungesteuerte Gleichrichter 3.3. Elektronische Systeme in Energienutzung, Licht- und Wärmeerzeugung, Antriebstechnik, Kommunikationstechnik, elektronische Messgeräte, Gebäudeautomation, Signalverarbeitung (Operationsverstärker), Eingabeeinheiten, Verarbeitungseinheiten, Ausgabeeinheiten, Analogie elektrotechnisches Energiesystem Analoge und digitale Schaltungen Dimmer, Sprachübertragung, Drehzahlregelung, Datenübertragung 3.5 Erweiterte Fachtechnik Chemische Grundbegriffe Periodensystem, Atome, Elektronen Leuchtdiode TD Technische Dokumentation 4. Anlagedokkumentation 4..1 Programmdarstellungen, Steuerungstechnik, Gebäudeautomation 4.. Symbole, Kennzeichnungen, Elektronikschaltungen Grundschaltungen Die Operationsverstärker werden mit ohmschen und kapazitiven Widerständen beschaltet. Meist darf der Operationsverstärker als ein idealer Verstärker mit unendlich grossem Vo unendlich grossem Eingangsinnenwiderstand ie und sehr kleinem Ausgangsinnenwiderstand 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. EST Elektrische Systemtechnik 5.1 Installationstechnik und Technik der Energienutzung Schutzorgane, Frequenzumrichter Elektronische Transformatoren 5. Technik der Energienutzung 5.. Leuchtdionden, Lampenschaltungen, Dämmerungsschalter, Sensorsteuerungen 5..7 Netzersatzanlagen, Überspannungsschutz 5..8 Photovoltaik 5.3 Elektrotechnik Gleich- und Wechselspannung Kirchhoffsche Gesetze Digitale Messgeräte 5.4 Steuerungstechnik Digitale Steuerungen 5.4. Halbleiterrelais, Halbleiterschutz Gleichrichter, Wechselrichter, Frequenzumrichter Speicherprogrammierbare Kleinsteuerungen 5.5 Gebäudeautomation Gebäudeautomation 5.5. Bussysteme Einsatz von Bussystemen Offset-Kompensation Die Offsetspannung weist bei Standard-Operationsverstärkern Werte von einigen mv auf, diese kann durch eine Offsetkompensation reduziert werden. Bei modernen Operationsverstärkern wird die Kompensation bereits intern durchgeführt und die Offsetspannung kann vernachlässigt werden. Frequenzkompensation Aufgrund parasitärer Kapazitäten weist der Operationsverstärker prinzipiell das Verhalten eines Tiefpasses auf, d.h. die Leerlaufverstärkung sinkt mit steigender Frequenz ab. Durch eine interne Frequenz-kompensation erfolgt der Abfall wie bei einem Tiefpass 1.Ordnung, d.h. mit 0dB/Dekade. Version 3

3 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 3 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE 17 Elektronik, Digitaltechnik und Programmierung 17. Operationsverstärker Die Einsatzgebiete eines Operationsverstärkers kann man schon anhand seines Namens erahnen. Er wird immer dort eingesetzt, wo mit einem einfachen Bauteil Signale verstärkt werden sollen. Doch ein Operationsverstärker kann auch echenaufgaben ausführen, Signale oder Pegel vergleichen, Meßgrößen umformen oder Meßsignale wie z.b. echteck-, Dreieck- oder Sinussignale generieren Invertierender Operationsverstärker Fachliche Voraussetzung: Grundkenntnisse aus Elektronik. Invertierender Verstärker LM741H TO99 a = e 1 V = a e = 1 Schaltzeichen Nach DIN V a e 1 Eingangsspannung ückkopplungswiderstand Eingangswiderstand am invertierenden Eingang Eine Messsignalspannung e beträgt ±,5V und soll auf 10V für die Signalquelle soll grösser oder gleich ± verstärkt werden. Der Widerstand sein. Bestimmen Sie die Beschaltungswiderstände: 10 kω Der Operationsverstärker =OPV (Abk. VV, VC, CV, CC) ist ein elektronischer Verstärker, der einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang besitzt und eine sehr hohe Spannungs-Verstärkung sowie hohen Eingangswiderstand und kleinen Ausgangswiderstand aufweist. Als Eingangsschaltung wird ein Differenzverstärker verwendet, der auf sehr geringe Spannungsunterschiede reagiert. Anwendungen Analogfilter Analoge Signalverarbeitung Analog-Digitalumsetzer Verstärkerstufen Adiererverstärker (mit Kondensator in der ückkopplung) Gleichrichterschaltungen Spitzenwerterfassung Speicherung von Spannungen Geregelte Gleichstrom- und Gleichspannungsquellen (mit Kondensator am Eingang) OP-Verstärker in der Steuer- und egeltechnik OP-Verstärker als Schalter OP als Meßwertwandler Anwendung in Oszillotoren und Konsumelektronik OP-Verstärker mit nichtlinearen Verstärkungen Stromversorgung Komparatoren

4 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 4 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE 17.. Nichtinvertierender Operationsverstärker Am nichtinvertierender Verstärker ist die gleich gepolt wie die Eingangsspannung. Eine der bekanntesten und auch am weitesten verbreiteten Grundschaltungen ist der nichtinventierende Verstärker, auch Elektrometerverstärker genannt. Er besitzt einen sehr hohen Eingangswiderstand, und der Verstärkungsfaktor kann mittels zweier Widerstände auf einen Wert von 1 oder mehr eingestellt werden. Schaltbild des standard Operationsverstärkers 741 V a e 1 = V a e Eingangsspannung Spannungsteilerwiderstand Spannungsteilerwiderstand V = a e = 1+ Welche Spannung erhält man am Ausgang, wenn die Eingangsspannung e = 0, 1V beträgt sowie die Widerstände 1 = 1kΩ und = 10kΩ betragen? 1 Anwendungen Nichtinvertierender ph-messung Impedanzwamdler (ohne ückkopplungswiderstand) +1V -1V Invertierer Nichtinvertierer

5 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 5 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE Summierender Operationsverstärker Die Schaltung ist eng mit dem invertierenden Verstärker verwandt, dieser ist jedoch um mehrere Eingänge erweitert. Am Summierer ist die gleich der Summe der I e1 e e = e3 13 Pin-Belegung am Operationsvetrstärker 741 e1 e e3 = a = a e V a e 1 ückkopplungswiderstand Eingangswiderstände am invertierenden Eingang Welche Spannung erhält man am Ausgang eines Operationsverstärkers, wenn die = = 0, V betragen, die Widerstände = = = 5, 0kΩ e1 e e3 = sind und ein ückkopplungswidwerstand von = 30kΩ eingesetzt wird? Signalverstärker Alle Audio-Operationsverstärker LME497 warten mit überragenden Leistungsdaten auf. Verstärkungs- Bandbreiten von 0MHz bis 55MHz und schnelle Anstiegszeiten (slew rates) von 0V/µs garantieren eine exzellente Verstärkung von Audio- Signalen.

6 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 6 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE Subtrahierender Operationsverstärker Bei einem Differenzverstärker wird der Operationsverstärker so beschaltet, dass er gleichzeitig wie ein invertierender und ein nichtinvertierender Verstärker funktioniert. Am Subtrahierer ist der Ausgang gleich der Differenz der ( + ) 1 4 a = e+ e ( ) 1 1 Sind die Widerstände 3 = 1 und 4 = so folgt: [ ] = a e+ e 1 Der Spezialfall mit 1 = : a = e+ e Chip-Aufnahme eines schnellen Operationsverstärkers 741 V a e 1 3, 4 ückkopplungswiderstand Eingangswiderstand am invertierenden Eingang Eingangswiderständ am nichtinvertierenden Eingang Welche Spannung erhält man am Ausgang eines Operationsverstärkers, wenn die e 1 = 5V und e = 3 V betragen. Mit den Widerstände = 10kΩ, = 0kΩ und = 0kΩ ist der OPV beschaltet! 1 3 = 4 = Subtrahierer

7 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 7 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE Integrierender Operationsverstärker Ein Integrierer ist eine Schaltung mit einer frequenzabhängigen Gegenkopplung, meistens in Form eines Kondensators. Bei einem konstanden Strom steigt die linear an. τ = C Die ändert sich proportional mit der Zeit, die von der Zeitkonstante τ = C und der Eingangsspannung abhängt egler V a e C ückkopplungkondensator Eingangswiderstand am invertierenden Eingang PID-egker Schaltbild eines aktiven Tiefpassfilters 1. Ordnung

8 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 8 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE Differenzierender Operationsverstärker Je grösser die Änderung am Eingang umso grösser ist die. Auch beim Differenzierer werden frequenzabhängige Bauteile verwendet, allerdings nicht in der Gegenkopplung, sondern am Eingang der Schaltung. τ = C egler V a e C ückkopplungwiderstand Eingangskondensator am invertierenden Eingang Filtereingang Ausführungen von Operationsverstärkern

9 TG TECHNOLOGISCHE GNDLAGEN Seite 9 17 ELEKTONIK ND DIGITALTECHNIK OPEATIONSVESTÄKE Impedanzwandelnder Oerationsverstärker Die Impedanzwandler oder Spannungsfolger genannte Schaltung stellt eine Variante des nichtinvertierenden Verstärkers dar. Der invertierende Eingang ist direkt mit dem Ausgang verbunden. Beim Impedanzwandler ist die gleich der Eingangsspannung. V = 1 = 0, 1 = V a e C a = e ückkopplungwiderstand V = a e = 1+ Eingangskondensator am invertierenden Eingang 1 Anwendungen Nichtinvertierender ph-messung Impedanzwamdler (ohne ückkopplungswiderstand) Pufferschaltung Hochohmiger Spannungsabgriff Die Impedanzwandler oder Spannungsfolger genannte Schaltung stellt eine Variante des nichtinvertierenden (linearen) Verstärkers dar. Der invertierende Eingang ist direkt mit dem Ausgang verbunden. Die direkte Gegenkopplung ergibt einen Verstärkungsfaktor von 1. Seine entspricht bei normaler Funktion genau der Eingangsspannung, wovon sich auch der Name Spannungsfolger ableitet: Die folgt direkt der Eingangsspannung.