Anwndung ds Oprationsvrstärkrs Lars Paasch 5.09.0
Inhaltsvrzichnis Inhaltsvrzichnis Das Schaltzichn 3 Vrglich zwischn idaln OPV mit raln OPV 3 Das Baulmnt Dr Bzichnungsschlüssl Dr Cod bkanntr Hrstllr Tmpraturbrich Ghäusformn 5 Einig Oprationsvrstärkr mit ihrr Anschlussblgung und Ghäus 5 Bispil zur Positionirung auf inr Lirplatt bi shr hochohmign Eingängn 6 Was bdutt was im Datnblatt? 6 Tabllarischr Übrblick dr wichtigstn Knngrößn 6 Diagramm und ihr Bdutung am Bispil ds OPV µa7 7 Dr Aussturbrich Dr normal OPV Dr Singl Supply OPV Dr ail to ail OPV Grundschaltungn Dr invrtirnd Vrstärkr Dr nichtinvrtirnd Vrstärkr Dr Impdanzwandlr 3 Di Additionsschaltung 3 Dr Diffrnzvrstärkr 3 Di Konstantstromqull Dr Komparator ohn Hystrs Dr Komparator mit Hystrs 5 Dr Intgrirr 5 Dr Diffrnzirr 6 Ersatzschaltbildr 6 Dr Oprationsvrstärkr mit sinm Ersatzschaltbild 6 Di Kompnsation vom OPV 6 uhstromkompnsation 6 Offstkompnsation 6
Typn von OPV s 7 Vrschidn Artn von Oprationsvrstärkrn 7 Wlchn OPV nhm ich jtzt? 7 Standard Typn 7 Typn mit großm Eingangsstrom 7 Typn mit großr Ausgangsspannung 8 Typn mit großr Bandbrit 8 Singl Supply Typn 8 Präzisionstypn 9 auscharm Typn 9 Zusammnfassung und witr Schaltungn mit Oprationsvrstärkrn 0 Grundschaltungn 0 Filtr Litraturvrzichnis
Anwndung ds Oprationsvrstärkrs Das Schaltzichn Bdutung dr inzlnn Zichn + nichtinvrtirndr Eingang - invrtirnd Eingang unndlich! Vrstärkr Vrglich zwischn idaln OPV mit raln OPV Paramtr idalr OPV ralr OPV Eingangswidrstand unndlich 00 kω... MΩ bipolarr OP bis GΩ bi FET Eingang Eingangsstrom Null µa bim bipolarn OPV na bim FET-OPV Ausgangswidrstand Null bi dm mistn Typn 0... 00 Ω Offststrom Null Picoampr bis 00 Nanoampr Spannungsvrstärkung vu unndlich 90 bis 0 db Frqunzbandbrit unndlich bis 00 MHz bi Sondrtypn noch höhr Offstspannung Null 0,... 5 mv Slwrat Vss unndlich bis 80; typisch V/µs Ausgangsstrom unndlich bis 5 ma, s gibt auch Typn bis 00 ma Tmpraturdrift Null bi Präzisionstypn : µv / C bi Standardtypn : 3 µv / C Glichtaktuntrdrückung unndlich 80 0 db 3
Das Baulmnt Dr Bzichnungsschlüssl µa 7 C Hrstllr Typ bsondr Eignschaftn Dr Cod bkanntr Hrstllr µa : Fairschild TL : Txas Instrumnt MC : Motorola LH, LM, LF : National Smiconductor CA : CA SE, NE : Signtic / Valvo TBC, TBB, TCA, TAA : Simns C, M : aython AD : Analog Dvics OPA : Burr-Brown ICL : Intrsil Di Datnblättr dr inzlnn Hrstllr findt man am bstn auf dr jwilign Hompag ds Hrstllr. Ein gut Intrntsit zum Auffindn disr ist z.b. www.aufzu.d. Tmpraturbrich Di Tmpraturbrich von Baulmntn wrdn mist wi folgt gglidrt: allgmin Anwndung : 0 C... +70 C industrill Anwndung: -0 C... + 85 C militärisch Anwndung: -55 C... + 5 C Lidr gibt s kin Einhitlichkit bi dr Knnzichnung. Z.B. kann dr Tmpraturbrich im Zahlncod nthaltn sin odr bi dr Knnzichnung dr bsondrn Eignschaftn.
Ghäusformn Einig Oprationsvrstärkr mit ihrr Anschlussblgung und Ghäus 5
Bispil zur Positionirung auf inr Lirplatt bi shr hochohmign Eingängn Was bdutt was im Datnblatt? Tabllarischr Übrblick dr wichtigstn Knngrößn Bzichnung in dutsch Bzichnung in nglisch Forml- Bschribung zichn Lrlaufvrstärkung Glichspannungsvrstärkung Durchtrittsfrqunz Transitfrqunz Grnzfrqunz Anstigsgschwindigkit Anstigsflank, Pulsanstig Durchsturzit opn loop voltag gain unity gain frquncy full powr frquncy slwrat v u0 v ud0 f T f G ass / t d a /dt Si ist das Vrhältnis von Ausgangspannung zu Eingangsdiffrnzspannung ds nicht ggngkoppltn Vrstärkrs bi unblasttm Ausgang Di Wrt lign zwischn 0 3 0 7. (60 db 0 db) Di Frqunz, bi dr di Vrstärkung (0 db) bträgt bim nicht ggngkoppltn unblasttn OPV. Di Frqunz, bi dr di Vrstärkung 3 db klinr ist als di Glichspannungslrlaufvrstärkung (70,7%). Wnn disr Wrt übrschrittn wird, dann kommt s zu Amplitudnrduzirung und zu inr Kurvnformvrzrrung. Di maximal unvrzrrt Ausgangsspannung rrchnt sich: ass Slwrat / *π*f 0 Diffrnzingangs- input rsistanc E Widrstand am Eingang ds OPV s. Widrstand Eingangsspannungn input voltag I I Spannungswrt am invrtirndn bzw. nichtinvrtirndn Eingang. Eingangsoffstspannung input offst voltag EOS IO Eingangsdriftspannung Eingangsoffststrom Eingangsnullstrom Eingangsoffststromdrift input offst voltag drift input offst currnt input offst currnt drift EOS TK IO I EOS I IOS di EOS TK IIOS Ist dr Wrt, dr als Hilfsspannung am Eingang bnötig wird, um am Ausgang ds OP di Spannung Null zu rrichn bi inr symmtrischn Btribsspannung. Di Ändrung dr Eingangsoffstspannung in Abhängigkit dr Tmpratur. In dn Datnangabn ds Hrstllrs wird di Ändrung mist bi K Tmpraturändrung angbn. Ergibt sich aus dr Diffrnz dr bidn Eingangsström, di dn Eingangsruhstrom bildn zur Einstllung dr Ausgangspannung 0V. Dis rgibt sich analog zur Offstspannungsdrift aus dr Eingangsoffststromändrung. 6
Bzichnung in dutsch Eingangsspannungsbrich Diffrnzingangsspannung Bzichnung in nglisch diffrntial input voltag Glichtaktingangsspannung common mod voltag Glichtaktaussturbrich Glichtaktspannungsbrich Glichtaktvrstärkung Glichtaktlrlaufspannungsvrstärkung Diffrnzlrlaufspannungsvrstärkung Glichtaktuntrdrückung Btribsspannungsuntrdrückung common mod voltag rang common mod voltag gain opn loop voltag gain common mod rjction ratio supply voltag rjction ratio Formlzichn Ediff EGI ID IC GL v CM v CO v DO G CM CM k SV SV Bschribung Disr Wrt gibt di maximal Diffrnzspannung zwischn dn Eingängn an. Ein Glichtaktsignal ggn Mass darf disn Wrt nicht übrschritn. Dr arithmtischr Mittlwrt dr Eingangsspannungn, wnn di Ausgangsspannung Null ist. Brich dr Glichtaktspannung an dn Eingängn ds OPV s, ohn das in Übrsturung ds Eingangs intritt. Wrdn di bidn Eingäng ds OPV s paralll gschaltt, sollt di Ausgangsspannung bi inr symmtrischn Btribspannung dn Wrt Null annhmn. Das ist lidr bim raln OPV nicht dr Fall. Disr Wrt gibt das Vrhältnis dr Ausgangs- zur Eingangsspannung an. Bi dr Diffrnzvrstärkung wrdn di bidn Eingäng zur Ausgangspannung btrachtt. Stllt das Vrhältnis zwischn Diffrnzspannungsvrstärkung und Glichtaktspannungsvrstärkung da. Durch Ändrung dr Btribsspannung kommt zur Ändrung dr Offstspannung. Angab ist in db odr µv/v. Ausgangsimpdanz opn loop output Z A Ausgangsimpdanz ds unbschalttn OPV s impdanc Ausgangsstrom output currnt I Amax Dr maximal Ausgangsstrom ds OPV s. Ausgangsspannungshub output voltag a Dr maximal Ausgangsspannungshub für dn linarn Arbitsbrich ds OPV s. Vrsorgungsspannung supply voltag B Vrsorgungsspannung ds OPV s Gsamtvrlustlistung intrnal powr P tot Di maximal Vrlustlistung ds OPV s. dissipation Arbitstmpratur T A Minimal und Maximal Arbitstmpratur. Lagrtmpratur T L Minimal und Maximal Tmpratur dr Lagrung. Anschlussdrahttmpratur T Löt Maximal Drahttmpratur bim Lötn. Diagramm und ihr Bdutung am Bispil ds OPV µa7 Ausgangsspannungshub als Funktion ds Ausgangsstroms mit Tmpratur als Paramtrangab Dr zu ntnhmnd Strom ist shr stark von dr Tmpratur abhängig. Im Diagramm rknnt man das in Laststrom Entnahm von bis zu 6 ma das Problm umghn kann. Wichtig ist noch zu wissn ob dr Ausgang kurzschlussfst ist z.b. kann man mit dm µa7 in Last dirkt ohn Vorwidrstand btribn. Man muss natürlich dabi auch di maximal Vrlustlistung bachtn. 7
Vrlustlistung als Funktion dr mgbungstmpratur Hir ist zu rknnn, dass di maximal Vrlustlistung ab 75 C sinkt, man muss si also rduzirn, wnn man in disn Brich kommt. Dis ist möglich z.b. durch in klinr Vrsorgungsspannung odr klinr Ausgangström. Stromaufnahm in Abhängigkit von dr Vrsorgungsspannung und dr Tmpratur Di Stromaufnahm rhöht sich natürlich bi inr höhrn Vrsorgungsspannung. Di Stromaufnahm ist auch von dr Tmpratur abhängig, ist abr mist shr gring und nicht von großn Stllnwrt. Ausgangsspannungshub als Funktion dr Vrsorgungsspannung und ds Lastwidrstands Dr Ausgangsspannungshub ligt twas nidrigr als di Vrsorgungsspannung. Für normal OPV s stzt man ca. V V nidrigr als di Vrsorgungsspannung an. Für groß Lastn ist dr Ausgangsspannungshub noch twas nidrigr. Lrlaufvrstärkung in Anhängigkit von dr Vrsorgungsspannung und dr Arbitstmpratur Di Lrlaufvrstärkung ist shr stark tmpraturabhängig. Für inn ggngkoppltn OPV mit nidrigr Vrstärkung ggnübr dr Lrlaufvrstärkung, ist dr Vrstärkungsgrad allin übr das Ggnkopplungsntzwrk bstimmt. 8
Maximal Eingangspannung als Funktion dr Vrsorgungsspannung Normal OPV s sind, wnn si kurzschlussfst sind, shr unmpfindlich Baulmnt. Durch zwi Sachn könnn si jdoch schnll zrstört wrdn: durch Vrpolung dr Vrsorgungsspannung und durch in Eingangsspannung, di im Potntial höhr ligt als di Vrsorgungsspannung. Bi dism OPV darf bi inr Vrsorgungsspannung von ±0 V di Eingangsspannung ±8 V nicht übrschritn. Erfahrungsgmäß wrdn di OPV s abr rst zrstört, wnn di Eingangsspannung V höhr ist als di Vrsorgungsspannung. Dis soll abr nicht in Anlitung zum Übrschritn von Grnzwrtn sin. Nur innrhalb dr Grnzwrt ist gwährlistt, dass dr OPV nicht zrstört wird. Glichtaktuntrdrückung in Abhängigkit von dr Frqunz Bi inm idaln OPV würdn glich Signal an dn Eingängn nicht zu Ändrungn am Ausgang führn. Da dr Diffrnzingangsvrstärkr abr nicht gnau symmtrisch aufgbaut ist, kommt s dann doch zu inr Ändrung dr Ausgangsspannung. Di Glichtaktuntrdrückung nimmt zu hohn Frqunzn noch ab (durch parasitär Kapazitätn). Ausgangsspannungsvrlauf als Funktion dr Zit Das Diagramm zigt di Slwrat odr Anstigsflank das OPV s. Si bträgt hir ca. 0,5 V/µs. Ausgangsspannungssprung in Abhängigkit von dr Zit Diss Diagramm zigt dn zitlichn Vrlauf ds Ausgangsspannungssprung von 0 auf 0 V. Di Zit wird dabi zwischn 0% bis 90% dr Ausgangsspannung dfinirt. 9
Ausgangspannungshub als Funktion dr Frqunz Zu rknnn ist hir, dass bis 0 khz dr maximal Ausgangsspannungshub gnutzt wrdn kann. Bi höhrn Frqunzn richt di Anstigsgschwindigkit ds OPV s nicht mhr aus, um in di Aussturgrnz zu glangn. Vrstärkung in Abhängigkit von dr Frqunz Di Vrstärkung ins offn btribnn OPV s ist shr stark von dr Frqunz abhängig. Zu shn ist bi dism Bispil, dass di hoh Vrstärkung von 00 db bis maximal 0 Hz zur Vrfügung stht. Bi Frqunzn von MHz ist das Vrstärkungsmaß schon bi 0 db. In dn folgndn Diagrammn ist dr Eingangsruhstrom in Abhängigkit zur Tmpratur und zur Vrsorgungsspannung zu rknnn. Si sind abr mist nicht so ntschidnd. Für hochohmign Einsatz sollt man dann libr auf FET-OPV s zurückgrifn. In dn jtzt noch folgndn Diagrammn wrdn di Offstgrößn in Abhängigkit von dr Tmpratur und dr Vrsorgungsspannung dargstllt. 0
Dr Aussturbrich Dr normal OPV Bim normaln OPV ist dr Aussturbrich nicht glich dr Btribsspannung,sondrn durch di Innnschaltung twas klinr, mist V V. Dadurch vrlirt man natürlich in shr wichtig Eignschaft, di bi manchn Einsätzn shr wichtig ist und zwar, dass das Ausgangspotntial glich dm Eingangspotntial ist. Diss Problm ist auch bi nidrign Btribsspannungn shr ungünstig z.b. bi inr Btribsspannung von ±5 V hätt man nur noch inn Aussturbrich von ±3 V. Dr Singl Supply OPV m dis Problm zu bhbn gibt s z.b. dn Singl Supply OPV, dr xtra für dn Einsatz mit nur inr Btribspannung gbaut wurd. Hir ist dr Aussturbrich bis zur ngativn Btribsspannung (bzw. Nullpotntial). Abr auch hir gibt s Problm! Sollt z.b. bi inm nichtinvrtirndn Vrstärkr di Eingangsspannung untr di ngativ Btribsspannung sinkn blibt di Ausgangsspannung nicht wi man vrmutt bi 0V sondrn stigt auf di positiv Aussturgrnz. Disr Vorgang wird Phasn vrsal gnannt. Es gibt natürlich auch hir Typn, di dis Eignschaft nicht habn z.b. all CMOS Oprationsvrstärkr. Dr ail to ail OPV ail to ail OPV s sind OPV s, bi dnn dr Aussturbrich nicht nur bis zur ngativn Btribsspannung möglich ist, sondrn auch bis zur positivn Btribsspannung.
Grundschaltungn Dr invrtirnd Vrstärkr Zur Vrinfachung wrdn hir di Oprationsvrstärkr immr als idal angnommn und man ght von inr symmtrischn Btribsspannung aus, di man nicht xtra mit an dn OPV zichnt. Oprationsvrstärkr wrdn nur shr sltn ohn zusätzlich Bschaltung vrwndt. Dn Oprationsvrstärkrn wrdn durch vrschidn ückkopplungsschaltungn bstimmt Eignschaftn vrlihn. Wird dabi di Ausgangsspannung so auf dn Eingang zurückgführt, dass si sich addirn spricht man von Mitkopplung, wird si subtrahirt von Ggnkopplung. Di Mitkopplung rhöht dabi di Instabilität ds Systms im Ggnsatz zur Ggnkopplung. Das klassisch Bispil zur Ggnkopplung ist dr invrtirnd Vrstärkr. Ist di Ausgangsspannung a nicht in dr Aussturgrnz ds OPV s, so kann man di Spannung zwischn dn Eingängn als 0 V annhmn ( diff 0V). Da di OPV Eingangsström null sind, muss I I sin und da diff 0 V ist, ist also und - a. Witrhin folgt: da I I v a u a Dr nichtinvrtirnd Vrstärkr In disr Schaltung ist auch widr di Spannungsdiffrnz zwischn dn Eingängn 0 V und damit ist glich. Zu rknnn ist, dass bi disr Schaltung di Vrstärkung nicht klinr als wrdn kann. v a u I I a v a a + + + v a +
Dr Impdanzwandlr Schaut man sich di Schaltung ds nichtinvrtirndn Vrstärkrs und di zughörig Forml für di Vrstärkung an, rknnt man, dass, wnn man ggn 0 Ω und ggn unndlich wählt, di Vrstärkung v wird und damit di Eingangsspannung glichr dr Ausgangspannung ist. Dr Vortil bi disr Schaltung ist, dass si inn shr hochohmign Eingang und inn nidrohmign Ausgang hat. Impdanzwandlr sind shr vortilhaft an Stlln wo in hochohmig Signalqull nicht blastt wrdn solln. a Di Additionsschaltung Auch bi disr Schaltung gilt widr, dass di Spannung zwischn dn Eingängn diff 0 V bträgt.daraus kann man widr folgnds ablitn: I I I G G a I + I G a IG + G G a + G allgmin gilt: a + + " + n n G Dr Diffrnzvrstärkr Im Normalfall wählt man bim Diffrnzvrstärkr di Widrständ so, dass si wi hir immr paarwis auftrtn z.b. hir 3 und. Dis ist natürlich nicht zwingnd notwndig und auch hir gilt widr dass diff 0V ist. Als rsts kann man di Spannung am positivn Eingang brchnn. Da kin Strom in dn OPV flißt, ist das shr infach: + 3
Da wir jtzt wissn, wlch Spannung am Eingang ds OPV s vorligt, könnn wir witr folgn: I + + Witrhin wissn wir ja, dass I I und 3 I 3 I 3 ist. Wir könnn schlussfolgrn, dass a - 3 ist. ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 3 3 3 3 3 a a + + + + + + Vrinfacht man di Schaltung wi obn mit paarwis glichn Widrständn, vrinfacht sich natürlich auch di Forml: Di Konstantstromqull Di Konstantstromqull ist wi dr invrtirnd Vrstärkr aufgbaut, abr hir bfindt sich im Ggnkopplungszwig dr Lastwidrstand. Solang dr Oprationsvrstärkr nicht im Aussturbrich ist, ist di Diffrnzspannung zwischn dn Eingängn ds OPV s 0 V. Dr Strom durch dn Widrstand ist / /. I ist glich dm I const. Man kann also dn konstantn Strom übr odr instlln. Dn größt möglichn Widrstand kann man rrchnn mit dr maximaln Spannung am Ausgang ds OPV s: const aopv L I max max Dr Komparator ohn Hystrs Dr Komparator hat kinn ückkopplungszwig. Er vrglicht in Eingangsspannung mit inr frnzspannung und kippt j nach Bschaltung in di positiv odr ngativ Aussturgrnz. Im rstn Bild ist di frnzspannung di Bzugsmass und s handlt sich um inn invrtirndn Komparator. Im Bild daruntr ist in Schaltung mit instllbarn Kipppunkt und inm nichtinvrtirndn Komparator. Komparatorschaltungn sind shr vilsitig instzbar z.b. als Alarmauslösr odr Msswrtvrglichr. ( ) 3 a I const
Dr Komparator mit Hystrs Dr hir dargstllt invrtirnd Komparator mit Hystrs rinnrt in sinr Grundschaltung an dn nichtinvrtirndn Vrstärkr. Nur sind hir di bidn Eingäng mit inandr vrtauscht, so dass hir in Mitkopplung rricht wird. Ein positivs Eingangssignal sturt dn OPV ngativ aus. Dr Trick bi disr Schaltung ist, dass dr OPV durch di Mitkopplung in dn Aussturgrnzn gfahrn wird und dadurch in Diffrnzspannung zwischn dn Eingängn ntstht, di rst übrwundn wrdn muss, um dn OPV in di andr Aussturgrnz zu bringn. Di Spannung, bi wlchr dr OPV kippt, ist rricht, wnn di Diffrnzspannung zwischn dn Eingängn 0 V bträgt. Es gibt natürlich zwi Schaltschwlln. In dr folgndn Forml muss für aopvmax/min inmal di positiv und inmal di ngativ Aussturgrnz ingstzt wrdn. kipp aopv + max/ min Auch dis Schaltung kann man als nichtinvrtirnd Komparator mit Hystrs aufbaun, wi man im nbn sthndn Bild shn kann.auch hir wird di Hystrs durch in Mitkopplung rricht, di dn OPV in dn Aussturbrich bringt und für in Diffrnzspannung zwischn dn Eingängn sorgt. Bi disr Schaltung ist di Schaltschwll rricht, wnn di Diffrnzspannung zwischn dn Eingängn null gwordn ist. Dis gschiht, wnn übr a abfällt und übr. Es gibt natürlich zwi Schaltschwlln. In dr folgndn Forml muss für aopvmax/min inmal di positiv und inmal di ngativ Aussturgrnz ingstzt wrdn. kipp aopv aopv max/ min max/ min Dr Intgrirr Dr Intgrirr stllt in analog chnschaltung zum Intgrirn dar. Di Eingangsspannung wird im Bzug zur Zit t intgrirt. Vorausgstzt, dass a 0 V zur t Zit t 0 ist, gilt: a dt C 0 5
Dr Diffrnzirr Mit disr Schaltung kann man di Eingangsspannung im Bzug auf di Zit diffrnzirn. Vorausgstzt, dass a 0 V zum Zitpunkt t 0 ist, gilt: d a C dt Ersatzschaltbildr Dr Oprationsvrstärkr mit sinm Ersatzschaltbild Di Kompnsation vom OPV uhstromkompnsation Mistns bfindn sich in dn Datnblättrn dr Hrstllr Schaltungsbispil zur Kompnsation von vrschidnn Störgrößn. Hir sind nur zwi Bispil für typisch Schaltungn angbn. Diss Bispil sorgt dafür, dass kin zusätzlich Diffrnzspannung ntstht. Offstkompnsation Dr Vortil disr Schaltung ist, das man hir durch das Potntiomtr in Offstkompnsation in ngativr als auch in positivr ichtung vollzihn kann. Dis kann z.b. wichtig wrdn, wnn dr OPV durch inn andrn rstzt wrdn muss. 6
Typn von OPV s Vrschidn Artn von Oprationsvrstärkrn Es gibt nicht nur Oprationsvrstärkr, di mit Spannungsin- und Ausgang arbitn, sondrn auch noch andr Typn, di in dm untrm Bild zusammn gfasst sind. Dis habn natürlich all ihr Vorund Nachtil. Wlchn OPV nhm ich jtzt? Standard Typn Di Listn, di hir zushn sind stlln natürlich kin vollständig Listn mit alln OPV s da, di s gibt. Es handlt sich hir nur um Bispil in dr Praxis oft bnutztr OPV s. Typn mit großm Eingangsstrom 7
Typn mit großr Ausgangsspannung Typn mit großr Bandbrit Singl Supply Typn 8
ail to ail Typn Präzisionstypn auscharm Typn 9
Zusammnfassung und witr Schaltungn mit Oprationsvrstärkrn Grundschaltungn 0
Filtr
Litraturvrzichnis Joachim Fdrau Oprationsvrstärkr Viwgs ISBN 3-58-3857-. Titz, Ch. Schnk Halblitrschaltungstchnik Springr ISBN 3-50-89-6 Brchmann Elktrotchnik Tablln Kommunikationslktronik Wstrmann ISBN 3--5037-9 Ditr Nührmann Das groß Wrkbuch Elktronik Franzis ISBN 3-773-657-7