OPV Grundschaltungen. Von Philipp Scholze

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1 OPV Grundschaltungen Von Philipp Scholze

2 Gliederung 1) Einleitung 1) Allgemeine Funktion eines OPVs 2) Idealer und realer OPV 3) Schaltsymbol und Kennlinie 2) Betriebsarten 3) Zusammenfassung 4) Quellen

3 1) Einleitung 2) Betriebsarten 1) Ohne Rückkopplung 2) Gegenkopplung 3) Mitkopplung 3) Zusammenfassung 4) Quellen Gliederung

4 1) Einleitung

5 1.1) Allgemeine Funktion eines OPV Was ist ein OPV und wie funktioniert er? Ist ein mehrstufiger Gleichspannungsverstärker Hat invertierenden (-) und nichtinvertierenden (+) Eingang Weist extrem hohe Verstärkung auf

6 1.1) Allgemeine Funktion eines OPV Unterschied zu normalen Verstärker: Die äußere Beschaltung bestimmt die Eigenschaften des OPVs!

7 1.2) Idealer und realer OPV Eigenschaft Idealer OPV Realer OPV Verstärkung unendlich 10 4 bis 10 5 Eingangswiderstand unendlich MΩ bis GΩ Ausgangswiderstand 0 200Ω

8 1.2) Idealer und realer OPV Weitere Eigenschaften sind: Frequenzverhalten Aussteuerbereich Temperaturabhängigkeit

9 1.3) Schaltsymbol und Kennlinie U a =V U d =V (U p U n )

10 2) Betriebsarten

11 2.1) Ohne Rückkopplung Ist die einfachste äußere Beschaltung Eingangsspannungen sind direkt an OPV-Eingängen angeschlossen Komparator

12 2.1) Ohne Rückkopplung Komparator: Vergleicht Eingangsspannung mit Referenzspannung Wird Referenzspannung überschritten, kippt der OPV in positive oder negative Aussteuergrenze Liefert ein binäres Ausgangssignal

13 Allgemein: 2.2) Gegenkopplung Gegenkopplung ist negative Rückkopplung Ausgangssignal wirkt dem Eingangssignal entgegen Fehler können kompensiert werden (Nichtlinearitäten, Bauteiltoleranzen) Äußere Beschaltung bestimmt Eigenschaften der Schaltung Nachteile: max. Verstärkung kleiner, Instabilität

14 2.2) Gegenkopplung Invertierender Verstärker Positive Eingangsspannung liefert negativen Ausgang Ausgangssignal wird über R 2 auf den Input zurückgeführt Eingang wird abgeschwächt

15 Invertierender Verstärker U a =V U d U d = U a V 0 Differenzspannung U d wird annähernd Null, da V

16 U d = U a V 0 Invertierender Verstärker

17 Berechnung der Verstärkung V

18 Berechnung der Verstärkung V Unendlich hoher Eingangswiderstand I e fließt durch R 1 und R 2 Virt. Masse: U e =U R1 =R 1 I e Nach I e umstellen U 2 =U R2 =R 2 I e = R 2 R 1 U e U a = U 2 = ( R 2 R 1 ) U e

19 Berechnung der Verstärkung V U a = ( R 2 R 1 ) U e Gesucht ist die Verstärkung V V = U a U e = ( R 2 R 1 ) V nur vom Widerstandsverhältnis abhängig!

20 2.2) Gegenkopplung Weitere wichtige Verstärkerschaltung Nichtinvertierender Verstärker V = U a U e =1+ R 2 R 1

21 2.2) Gegenkopplung Spannungsfolger: Spezialfall vom nichtinvertierenden Verstärker Verstärkung ist V = 1 Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung U a =U e

22 Subtrahierer / Differenzverstärker

23 2.2) Gegenkopplung Subtrahierer: Ist eine Rechenschaltung Differenz zwischen U 1 und U 2 wird am Ausgang verstärkt Mit Faktor α skaliert U a =α (U 2 U 1 )

24 Integrator

25 2.2) Gegenkopplung Integrator: Ausgang wird nicht über Widerstand, sondern über Kondensator zurückgeführt Strom am Kondensator I C =C du C dt

26 2.2) Gegenkopplung Integrator: Ausgangsspannung ist die zeitlich integrierte Eingangsspannung U a = 1 t RC U e dt 0 Integrator ist Tiefpass

27 2.2) Gegenkopplung Weitere Rechenschaltungen: Addierer Differenzierer Logarithmierer

28 Allgemein: 2.3) Mitkopplung Mitkopplung ist positive Rückkopplung Ausgangssignal verstärkt das Eingangssignal Verstärker treibt sich selbst in Sättigung Aber: Schaltung nicht unbedingt instabil! Übertragungsfunktion wird bei ausgewählten Frequenzen verstärkt Gezielter Einsatz bei z.b. aktiven Filtern

29 Invertierender Schmitt-Trigger

30 2.3) Mitkopplung Inv. Schmitt-Trigger: U a wird über Spannungsteiler R 1, R 2 auf Eingang mitgekoppelt Kennlinie weist Hysterese auf Einschalt- und Ausschaltschwelle unterschiedlich

31 2.3) Mitkopplung Ausschaltschwelle: Um U a auf minimalen Wert U a,min zu bringen, muss U e den Wert U e,aus überschreiten Verstärker an negativer Aussteuergrenze U e,aus = R 1 (R 1 +R 2 ) U a, max

32 2.3) Mitkopplung Einschaltschwelle: Um U a auf maximalen Wert U a,max zu bringen, muss U e den Wert U e,ein unterschreiten Verstärker an positiver Aussteuergrenze U e,ein = R 1 (R 1 +R 2 ) U a, min

33 2.3) Mitkopplung Inv. Schmitt-Trigger: Anwendung: Sinus-Rechteck- Wandler

34 3) Zusammenfassung

35 3) Zusammenfassung OPV ist Gleichspannungsverstärker Ideale OPV-Eigenschaften werden ausgenutzt Verhalten einer Grundschaltung nur abhängig von äußerer Beschaltung Äußere Beschaltung: Ohne Rückkopplung Gegenkopplung Mitkopplung

36 3) Zusammenfassung Mitkopplung: Schaltungen mit Hysterese Invertierender Schmitt-Trigger Nichtinvertierender Schmitt-Trigger

37 4) Quellen 1. Orglmeister, R.: Skript Analog- und Digitalelektronik, 2012, TUBerlin, Berlin 2. Federau, J.: Operationsverstärker - Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen, 2013, Springer Vieweg, Wiesbaden 3. Tietze, U.; Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik 13.Auflage, 2010, Springer- Verlag, Berlin

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