Der Operationsverstärker - Projektlabor
Der Operationsverstärker - Projektlabor
Der Operationsverstärker - Projektlabor
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<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 1
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Allgemeines<br />
Schaltsymbole<br />
Aufbau<br />
<br />
Idealer/Realer OPV<br />
Anschlüsse<br />
Verstärkung<br />
<br />
Übertragungskennlinie<br />
Rückkopplung<br />
Anwendungen<br />
Quellen<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 2
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Allgemeines:<br />
<br />
Elektronischer Verstärker mit sehr hoher Verstärkung<br />
<br />
Besitzt invertierenden und nicht invertierenden Eingang<br />
<br />
Kann durch Beschaltung mit zusätzlichen Bauteilen<br />
verschiedene Operationen durchführen<br />
z.B. addieren, integrieren, logarithmieren<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 3
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Schaltsymbole:<br />
a) übliche Variante<br />
b) mit Versorgungsanschlüssen<br />
Quelle: [1]<br />
c) aktuelles Symbol nach DIN 40900 Teil 13<br />
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<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Aufbau:<br />
Quelle: [2]<br />
<br />
Eingang ist immer ein Differenzverstärker<br />
<br />
Es folgt eine weitere Verstärkerstufe<br />
Kurzschlusssicherung<br />
<br />
Gegentaktverstärker am Ausgang<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 5
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Idealer OPV:<br />
<br />
Eingangswiderstand: unendlich groß<br />
<br />
Ausgangswiderstand: gleich Null<br />
<br />
Verstärkung: unendlich hoch und frequenzunabhängig<br />
<br />
Offset-Spannungen / Leckströme: Null<br />
<br />
Kein Rauschen<br />
<br />
Anstiegsrate: unendlich hoch<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 6
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Realer OPV: (Beispiel)<br />
Eingangswiderstand: 108 Ω<br />
<br />
Ausgangswiderstand: 20 Ω<br />
Verstärkung: 105 bei 100 Hz ; sinkt unter eins bei 1 MHz<br />
<br />
Offset-Spannung: 10 -4 V ; Leckströme: ca. 10 -7 A<br />
<br />
Schwaches Rauschen ; nimmt bei geringer Frequenz zu<br />
<br />
Anstiegsrate: 1 V/μs<br />
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<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anschlüsse:<br />
Quelle: [3]<br />
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<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Verstärkung:<br />
Geradeausverstärkung:<br />
U a<br />
= V G· (U P<br />
– U N<br />
) = V G · U D<br />
→ V G<br />
= U a<br />
/ U D<br />
<br />
Sehr hoch (über 10.000)<br />
<br />
Zur Begrenzung:<br />
Teil der Ausgangsspannung auf einen Eingang<br />
zurückführen (Rückkopplung)<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 9
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Übertragungskennlinie:<br />
Quelle: [4]<br />
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<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Rückkopplung:<br />
Mitkopplung:<br />
Ein Teil des Ausgangssignals wird an den nicht<br />
Invertierenden Eingang zurückgeführt.<br />
Verstärkung wird immer höher<br />
Es kommt zur Sättigung, d.h., die Ausgangsspannung<br />
wird nur durch die obere oder untere Betriebsspannung<br />
begrenzt.<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009<br />
11
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Rückkopplung:<br />
Gegenkopplung:<br />
Ein Teil des Ausgangssignals wird an den invertierenden<br />
Eingang zurückgeführt.<br />
U D<br />
wird auf Null gehalten<br />
Beschränkung der maximalen Verstärkung<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 12
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
<br />
Invertierender Verstärker:<br />
Verstärkungsfaktor:<br />
V = – R 2<br />
/ R 1<br />
Quelle: [5]<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 13
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
<br />
Invertierender Verstärker:<br />
Verstärkungsfaktor:<br />
V = – R 2<br />
/ R 1<br />
U a<br />
= – U R2<br />
= – I · R 2<br />
U a<br />
= – (U e<br />
/ R 1<br />
) · R 2<br />
U a<br />
= – (R 2<br />
/ R 1<br />
) · U e<br />
Quelle: [5]<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 14
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
<br />
Strom-Spannungs-Wandler (Transimpedanzverstärker):<br />
U a<br />
= – R · I e<br />
Quelle: [6]<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 15
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
<br />
Invertierender Addierer:<br />
Quelle: [7]<br />
U a<br />
= – R 2<br />
· [ (U e1<br />
/ R 11<br />
) + (U e2<br />
/ R 12<br />
) + (U e3<br />
/ R 13<br />
) ]<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 16
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
<br />
Nichtinvertierender Verstärker:<br />
Verstärkungsfaktor:<br />
V = 1 + (R 2<br />
/ R 1<br />
)<br />
U a<br />
/ U e<br />
= (R 1<br />
+ R 2<br />
) / R 1<br />
U a<br />
= [ 1 + (R 2<br />
/ R 1<br />
) ] · U e<br />
Quelle: [8]<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 17
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
<br />
Impedanzwandler (Spannungsfolger):<br />
U a<br />
= U e<br />
Quelle: [9]<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 18
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
Differenzierer:<br />
Integrierer:<br />
Quelle: [10] Quelle: [11]<br />
U a =−R⋅C⋅ dU et<br />
dt<br />
U a =− 1<br />
R⋅C ⋅ ∫ 0<br />
t<br />
U e t dtU a 0<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 19
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Anwendungen:<br />
Exp.Fkt.Generator:<br />
Logarithmierer:<br />
Quelle: [12] Quelle: [13]<br />
U e<br />
m<br />
U a<br />
=−n⋅R⋅e<br />
U a =−m⋅ln U e<br />
n⋅R <br />
n,m: Faktoren, die von der Temperatur und den Parametern der Diodenkennlinie abhängen<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 20
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
ENDE<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 21
<strong>Der</strong> <strong>Operationsverstärker</strong><br />
Quellen:<br />
<br />
<br />
<br />
http://de.wikipedia.org/wiki/<strong>Operationsverstärker</strong> am 05.05.2009<br />
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0209092.htm am 05.05.2009<br />
U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage, 1999<br />
Bilder:<br />
<br />
[1]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Symbols_of_Opamp.svg<br />
<br />
[2]: http://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/bilder/02090921.gif<br />
<br />
[3]: U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Seite 480<br />
<br />
[4]: U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Seite 483<br />
<br />
[5]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Inverting_Amplifier.svg<br />
<br />
[6]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Current_Voltage_Converter.svg<br />
<br />
[7]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Inverting_Adder.svg<br />
<br />
[8]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Noninverting_Amplifier.svg<br />
<br />
[9]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Voltage_follwer_4clamp_II.svg<br />
<br />
[10]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Differentiating_Amplifier.svg<br />
<br />
[11]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:Integrating_Amplifier.svg<br />
<br />
[12]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:EXP-Opamp.svg<br />
<br />
[13]: http://de.wikipedia.org/wiki/Datei:LOG-Opamp.svg<br />
05.05.2009 - Ulrich Pötter – <strong>Projektlabor</strong> SS2009 22