• Grundlegender Aufbau

R ^EFERAT : O PERATIONSVERSTÄRKER

Marcel Opitz 08.05.2014

O ^RIGINALE P ^LASTIK V ^ERPACKUNG

Inhalt

• Grundlegender Aufbau

– Innerer Aufbau

• Kennwerte des OPV

• Grundschaltungen

– Mitkopplung, Gegenkopplung – Invertierender Verstärker

– Nicht invertierender Verstärker – Impedanzwandler/ Spannungsfolger – Umkehraddierer

– Subtrahierer – Tiefpass – Hochpass

– Tief-, Hochpass höherer Ordnung – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung

• Praxis

– Offset

– Frequenzkompensation – Gleichtaktunterdrückung – Weiter wichtige Daten

• Zusammenfassung

• Literatur

Inhalt

• Grundlegender Aufbau

– Innerer Aufbau

• Kennwerte des OPV

• Grundschaltungen

– Mitkopplung, Gegenkopplung – Invertierender Verstärker

– Nicht invertierender Verstärker – Impedanzwandler/ Spannungsfolger – Umkehraddierer

– Subtrahierer – Tiefpass – Hochpass

– Tief-, Hochpass höherer Ordnung – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung – Invertierender Schmitt-Trigger

– Nichtinvertierender Schmitt-Trigger – Weitere Schaltungen

3

• Praxis

– Offset

– Frequenzkompensation – Gleichtaktunterdrückung – Weiter wichtige Daten

• Zusammenfassung

• Literatur

Grundlegender Aufbau

Abbildung 01

Grundlegender Aufbau

• Invertierender Eingang,

• nicht invertierender Eingang

• Ausgang

• Versorgungsspannung

5

Grundlegender Aufbau

• Invertierender Eingang,

• nicht invertierender Eingang

• Ausgang

• Versorgungsspannung

Abbildung 04

Innerer Aufbau

Abbildung 05

7

Inhalt

• Grundlegender Aufbau

– Innerer Aufbau

• Kennwerte des OPV

• Grundschaltungen

– Mitkopplung, Gegenkopplung – Invertierender Verstärker

– Nicht invertierender Verstärker – Impedanzwandler/ Spannungsfolger – Umkehraddierer

– Subtrahierer – Tiefpass – Hochpass

– Tief-, Hochpass höherer Ordnung – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung

• Praxis

– Offset

– Frequenzkompensation – Gleichtaktunterdrückung – Weiter wichtige Daten

• Zusammenfassung

• Literatur

Kennwerte des OPV

Ideal Reell

Hohe Verstärkung ∞ 10

… 10

Großer

Eingangswiderstand ∞Ω 10

… 10

Ω

Kleiner

Ausgangswiderstand 0Ω 10…200Ω

Ausgangsstrom ∞A max. 100mA

Aussteuerungsbereich −𝑈

… + 𝑈

etwas weniger als 𝑈

Betriebsspannung keine ±2V…±18V

Temperaturabhängigkeit,

Alterungsverhalten keine vorhanden

Abbildung 06 9

Kennwerte des OPV

Abbildung 07

Inhalt

• Grundlegender Aufbau

– Innerer Aufbau

• Kennwerte des OPV

• Grundschaltungen

– Mitkopplung, Gegenkopplung – Invertierender Verstärker

– Nicht invertierender Verstärker

– Impedanzwandler/ Spannungsfolger – Umkehraddierer

– Subtrahierer – Tiefpass – Hochpass

– Tief-, Hochpass höherer Ordnung – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung – Invertierender Schmitt-Trigger

– Nichtinvertierender Schmitt-Trigger – Weitere Schaltungen

11

• Praxis

– Offset

– Frequenzkompensation – Gleichtaktunterdrückung – Weiter wichtige Daten

• Zusammenfassung

• Literatur

Gegenkopplung

Abbildung 08

Mitkopplung

Abbildung 09

13

Invertierender Verstärker

V = 𝑈 _𝑎

𝑈 _𝑒 = − 𝑅 ₂ 𝑅 ₁

Abbildung 10

Nicht invertierender Verstärker

V = 1 + 𝑅 ₂ 𝑅 ₁

Abbildung 11

15

Impedanzwandler/ Spannungsfolger

𝑈 _𝑎 = 𝑈 _𝑒

Abbildung 12

Umkehraddierer

𝑈 _𝑎 = − 𝑈 ₁ 𝑅

𝑅 ₁ + 𝑈 ₂ 𝑅

𝑅 ₂ + … + 𝑈 _𝑚 𝑅 𝑅 _𝑚

Abbildung 13

17

Subtrahierer

𝑈 _𝑎 = α 𝑈 ₂ − 𝑈 ₁

Tiefpass

V = 1 + 𝑅 ₂ 𝑅 ₁

V = − 𝑅 ₂ 𝑅 ₁

H(s) = 𝑉 ⋅ 1

1 + 𝑠𝑅 ₂ 𝐶 H(s) = 𝑉 ⋅ 1

1 + 𝑠𝑅𝐶

Abbildung 15

Abbildung 16 19

Hochpass

V = 1 + 𝑅 ₂ 𝑅 ₁ H(s) = 𝑉 ⋅ 𝑠𝑅𝐶

1 + 𝑠𝑅𝐶

H(s) = 𝑉 ⋅ 𝑠𝑅 ₁ 𝐶 1 + 𝑠𝑅 ₁ 𝐶 V = − 𝑅 ₂

𝑅

Abbildung 17

Tief-, Hochpass höherer Ordnung

Tiefpass 2. Ordnung (Hochpass 2. Ordnung Analog)

Abbildung 19

21

Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung

Abbildung 20

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑝𝑎𝑠𝑠: 𝑓

< 𝑓

𝐵𝑎𝑛𝑑𝑠𝑝𝑒𝑒𝑟𝑒: 𝑓

< 𝑓

𝑉 = − 𝑅

𝑅

𝑓

= 𝑓

= 1

2𝜋 ⋅ 𝑅

⋅ 𝐶

𝑓

= 𝑓

= 1

2𝜋 ⋅ 𝑅

⋅ 𝐶

Invertierender Schmitt-Trigger

Abbildung 25

𝐸𝑖𝑛𝑠𝑐ℎ𝑎𝑙𝑡𝑠𝑐ℎ𝑤𝑒𝑙𝑙𝑒: 𝑈

= 𝑅

𝑅

+ 𝑅

𝑈

𝐴𝑢𝑠𝑠𝑐ℎ𝑎𝑙𝑡𝑠𝑐ℎ𝑤𝑒𝑙𝑙𝑒: 𝑈

= 𝑅

𝑅

+ 𝑅

𝑈

23

Nichtinvertierender Schmitt-Trigger

𝐸𝑖𝑛𝑠𝑐ℎ𝑎𝑙𝑡𝑠𝑐ℎ𝑤𝑒𝑙𝑙𝑒: 𝑈

= − 𝑅

𝑅

𝑈

Abbildung 26

Weitere Schaltungen

• Integrator

• Differenzierer

• Logarithmierer

• Komparator

• …

25

Inhalt

• Grundlegender Aufbau

– Innerer Aufbau

• Kennwerte des OPV

• Grundschaltungen

– Mitkopplung, Gegenkopplung – Invertierender Verstärker

– Nicht invertierender Verstärker – Impedanzwandler/ Spannungsfolger – Umkehraddierer

– Subtrahierer – Tiefpass – Hochpass

– Tief-, Hochpass höherer Ordnung – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung

• Praxis

– Offset

– Frequenzkompensation – Gleichtaktunterdrückung – Weiter wichtige Daten

• Zusammenfassung

• Literatur

Offset

Abbildung 21 Abbildung 22

Abbildung 03

27

Frequenzkompensation

V = 𝑈 _𝑎

𝑈 _𝑒 = − 𝑅 ₂ 𝑅 ₁

Abbildung 10

𝑓

… Transitfrequenz

… Amplitudenrand

… Phasenrand

Gleichtaktunterdrückung

Abbildung 24

29

Weitere wichtige Kenndaten

• Umgebungstemperatur

• Anstiegsgeschwindigkeit

• Kurzschlussfest

• Überspannungsschutz

• Rauschen

• …

Inhalt

• Grundlegender Aufbau

– Innerer Aufbau

• Kennwerte des OPV

• Grundschaltungen

– Mitkopplung, Gegenkopplung – Invertierender Verstärker

– Nicht invertierender Verstärker – Impedanzwandler/ Spannungsfolger – Umkehraddierer

– Subtrahierer – Tiefpass – Hochpass

– Tief-, Hochpass höherer Ordnung – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung – Invertierender Schmitt-Trigger

– Nichtinvertierender Schmitt-Trigger – Weitere Schaltungen

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• Praxis

– Offset

– Frequenzkompensation – Gleichtaktunterdrückung – Weiter wichtige Daten

• Zusammenfassung

• Literatur

Zusammenfassung

• Grundlegender Aufbau & Innerer Aufbau

• Unterschied idealer und reeller OPV

• Grundschaltungen

– Invertierender -, Nicht invertierender Verstärker – Impedanzwandler/ Spannungsfolger

– Umkehraddierer, Subtrahierer

– Tiefpass, Hochpass & höherer Ordnungen – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung

– Invertierender -, Nichtinvertierender Schmitt-Trigger

• Praxis – Offset

– Frequenzkompensation

– Gleichtaktunterdrückung

Inhalt

• Grundlegender Aufbau

– Innerer Aufbau

• Kennwerte des OPV

• Grundschaltungen

– Mitkopplung, Gegenkopplung – Invertierender Verstärker

– Nicht invertierender Verstärker – Impedanzwandler/ Spannungsfolger – Umkehraddierer

– Subtrahierer – Tiefpass – Hochpass

– Tief-, Hochpass höherer Ordnung – Bandpass, Bandsperre 1.Ordnung – Invertierender Schmitt-Trigger

– Nichtinvertierender Schmitt-Trigger – Weitere Schaltungen

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• Praxis

– Offset

– Frequenzkompensation – Gleichtaktunterdrückung – Weiter wichtige Daten

• Zusammenfassung

• Literatur

Literatur: Bücher

• Klaus Tkotz: Fachkunde Elektrotechnik. 24 Aufl.

Europa. 2008. 220ff

• Dr. Michael Dzieia: Tabellenbuch Informatik

Geräte und Systemtechnik. 2.Aufl. Westermann.

2006. S.107ff

• Prof. Dr.-Ing. Reinhold Orglmeister: Analog- und

Digitalelektronik. Skript. TU-Berlin. 2012. S.1ff

Literatur: Internetseiten

• Wiki: Operationsverstärker:

http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4 rker

• VIAS-Bibliothek:

http://www.vias.org/mikroelektronik/oa_gegenkoppl ung.html

• Martin Hahn – Fragebogen 06: Industrielle Elektronik:

http://mhoerte1.equinox.eu.com/fragen/ie/IE_06.pdf

35

Literatur: Abbildungen

• Abb.1-4

– Wiki: Operationsverstärker: http://de.wikipedia.org/wiki/Operationsverst%C3%A4rker

• Abb.5-7, 10-19, 21, 23-26

– Prof. Dr.-Ing. Reinhold Orglmeister: Analog- und Digitalelektronik. Skript. TU-Berlin.

2012. S.1ff

• Abb.8, 9, 22

– VIAS-Bibliothek:

http://www.vias.org/mikroelektronik/oa_gegenkopplung.html

• Abb.20, 22

F ^RAGEN ?

37

D ^{ANKE FÜR DIE}

A UFMERKSAMKEIT !