Transkript

1 1. Grundbegriffe Operationsverstärker Operationsschaltung Idealer Operationsverstärker und ideale Operationsschaltung Zusammenfassung r Parameter des Operationsverstärkers Lineare Parameter und lineares Modell Eingangsfehlerquellen Eingangsoffset und Eingangsdrift Eingangsrauschen Verstärkung, Differenzeingangswiderstand und Ausgangswiderstand Gleichtaktunterdrückung und Gleichtakteingangswiderstände Nichtlineare Parameter Einschwingzeit und Erholzeit Zusammenfassung Eigenschaften des Operationsverstärkers Operationsverstärker mit bipolarem Eingang Eingangsoffsetspannung Temperaturdrift der Eingangsoffsetspannung Auswirkung der anderen Verstärkerstufen Eingangsbiasstrom und Eingangsoffsetstrom Eingangsrauschen Differenzeingangswiderstand Gleichtaktunterdrückung und Gleichtakteingangswiderstände Operationsverstärker mit FET-Eingang Eingangsoffsetspannung Temperaturdrift der Eingangsoffsetspannung Sekundäre Effekte ' Gleichtaktunterdrückung Eingangsbiasstrom Eingangsrauschen Ausführung von Eingangsstufen Ausgangsstufe Frequenzkompensation Zusammenfassung i 75

2 8 Inhaltsverzeichnis 4. Operationsverstärkertypen Klassifizierungsgesichtspunkte von Operationsverstärkern Fertigungstechnologie Schaltkreistechnik Arten der Signaleingänge Programmierbarkeit Ausgangsleistung Beabsichtigte Anwendungen Zusammenfassung Messung der Parameter von Operationsverstärkern Offset und Rauschen Eingangsoffsetspannung Eingangsoffsetspannungsdrift Eingangsbiasströme und Eingangsoffsetstrom Eingangsbiasstrom- und Offsetstromdrift Eingangsrauschspannung Eingangsrauschströme Popcornrauschen Verstärkung, Eingangs- und Ausgangsimpedanzen Gleichspannungsverstärkung Transitfrequenz Ausgangswidterstand Gleichspannungsverstärkung bei Belastung Differenzeingangswiderstand Differenzeingangskapazität Gleichtaktunterdrückung und Gleichtakteingangsimpedanzen Gleichspannungsgleichtaktunterdrückung Gleichtakteingangswiderstände Gleichtakteingangskapazität Statische Nichtlinearitäten Nennausgangsspannung und Nennausgangsstrom Nenngleichtakteingangsspannung Dynamische Nichtlinearitäten Maximale Ausgangsslewrate Großsignalgrenzfrequenz Betriebsparameter Ruhebetriebsstrom Ausgangskurzschlußstrom Offsetabgleich Einschwingzeit Zusammenfassung Ideale Operationsschaltungen Klassen von Operationsschaltungen Rückkopplungsarten Linearität Arbeitsfrequenzbereich Anwendungen 116

3 Inhaltsverzeichnis Paralleloperationsschaltungen Strom-Spannungs-Wandler Stromverstärker ' Spannungsinverter Summierender Verstärker Allgemeiner Inverter Widerstands-T-Netzwerk Logarithmischer Verstärker Diodenbegrenzer Analogschalter Integrierer Serienoperationsschaltungen Spannungsverstärker Spannungsfolger Spannungs-Strom-Wandler Zusammengesetzte Operationsschaltungen Signalaussteuerung an beiden Eingängen Mehrfachrückkopplung Kombinierte negative und positive Rückkopplung Operationsschaltungen mit mehreren Verstärkern Unkonventionelle Operationsschaltungen Zusammenfassüng 135 < 7. Analyse der realen Operationsschaltung Rückkopplungsfaktor Definition des Rückkopplungsfaktors Berechnungsbeispiele für den Rückkopplungsfaktor Operationsgleichung Kanonische Form der Operationsgleichung Abschreckungsbeispiel Verstärkung der Operationsschaltung Grundform der Verstärkung Verstärkung der Operationsschaltung und Rückkopplungsfaktor Frequenzgang der Verstärkung der Operationsschaltung Beispiele für die Berechnung der Verstärkung der Operationsschaltung Dynamisches Verhalten ausgewählter Operationsschaltungen Nichtinvertierender Verstärker Spannungsinverter Integrierer Gesteuerte Stromquelle Wirkung der Vorwärtsübertragung Zusammenfassung Statische und dynamische Fehler im Frequenzbereich Vektor-, Amplituden-und Phasenfehler Definition der Fehler Dynamische Fehler eines einpoligen Verzögerungsnetzwerkes 1. Ordnung Wirkung des statischen Fehlers Filter 2. Ordnung 179

4 10 Inhaltsverzeichnis 8.2. Statische Fehler Fehler infolge der Gleichspannungsverstärkung Fehler infolge der Gleichspannungsgleichtaktunterdrückung Fehler infolge des Gleichtakteingangswiderstandes Fehler durch das Rückkopplungsnetzwerk Kompensation statischer Fehler Dynamische Fehler Fehler infolge der Schleifenverstärkung Fehler infolge der Vorwärtsübertragung Fehler infolge der Gleichtakteingangskapazität Kompensation dynamischer Fehler Messung von Fehlern Messung statischer Fehler Messung dynamischer Fehler Zusammenfassung Dynamische Fehler im Zeitbereich Einschwingzeit der Operationsschaltung Exponentielle Sprungantwort Effekt der maximalen Slewrate Wirkung der Verstärkung der Operationsschaltung Frequenzpaar Qualitative Erklärung des langen Nachlaufs Lineare Analyse Optimale Lage des Frequenzpaares Summierpunktkapazität Einschwingen des Spannungsinverters Kompensation der Summierpunktkapazität Geschwindigkeitsfehler Geschwindigkeitsfehler eines nichtinvertierenden Verstärkers Geschwindigkeitsfehler eines Integrierers Messung der Einschwingzeit Zusammenfassung Eingangs- und Ausgangsimpedanzen Eingangsimpedanz der Operationsschaltung Blackmansche Impedanzbeziehung Definition der Eingangsimpedanz im Strommode und im Spannungsmode Beispiele für die Berechnung der Eingangsimpedanz Ausgangsimpedanz der Operationsschaltung Definition der Ausgangsimpedanz im Strommode und im Spannungsmode Beispiele für die Berechnung der Ausgangsimpedanz Zusammenfassung Offset Grundbeziehungen Ausgangs- und Eingangsfehler der Operationsschaltung..: 243

5 Inhaltsverzeichnis Rauschverstärkung Vereinfachte Berechnung der Ausgangs-und Eingangsfehler Offset der Operationsschaltung Offset einfacher Operationsschaltungen Spannungsinverter Widerstandssymmetrierung der Operationsschaltung Wechselwirkung zwischen Verstärkung und Offset. Übersymmetrierter Inverter Summierverstärker I-U-Wandler Widerstands-T-Netzwerk Spannungsfolger Nichtinvertierender Verstärker Stromverstärker DifFerenzierer Sample/hold-Verstärker Integrierer Differenzverstärker Instrumentationsverstärker Logarithmischer Verstärker Offset infolge des Rückkopplungsnetzwerkes Thermoelektrische Spannungen Spannungsabfälle Leckströme Offsetabgleich der Operationsschaltung Abgleich der Spannungskomponente des Offsets Abgleich der Stromkomponente des Offsets Zusammenfassung Rauschen Rauschfilterung Rauschbandbreite Einpoliges Tiefpaßfilter Mehrfaches Tiefpaßfilter m-ter Ordnung Butterworth-Tiefpaßfilter m-ter Ordnung Einfaches Bandpaßfilter Filterung farbigen Rauschens Niederfrequenzrauschen einer Operationsschaltung Rauschen eines Spannungsfolgers ; Wirkung der Gleichtakteingangskapazität C c m Theoretische Grenze der Rauschstrommessung Rauschen eines I-U-Wandlers Wirkung von Kapazitäten der Operationsschaltung Breitbandrauschen einer Operationsschaltung Rauschen eines Spannungsinverters Vergrößerung des Rauschens durch Resonanz Interferenzrauschen Zusammenfassung 308

6 12 Inhaltsverzeichnis 13. Stabilität Rückkopplungsstabilität Absolute Stabilität und Nyquist-Stabilitätskriterium Relative Stabilität. Phasensicherheit und Verstärkungssicherheit Abgeleitete Kennwerte der relativen Stabilität. Resonanzüberhöhung und relatives Überschwingen Operationsschaltung r-ter Ordnung Operationsschaltung 2. Ordnung Kapazitive Ausgangslast Frequenzkompensation der Operationsschaltung Kompensation des Differenzierers Kompensation kapazitiver Last Kompensation der Summierpunktkapazität Operationsschaltung mit Treiber Kompensation des Operationsverstärkers Abblockung der Betriebsspannungen Praktische Stabilisierung einer Operationsschaltung Zusammenfassung Tafelanhang 349 Literatur 364 Sachwörterverzeichnis 368