110. Operationsverstärker

Analoge ICs:

• Audio-Verstärker (Leistungsverstärker)• HF-Schaltkreise, Oszillatoren• Stromversorgungen, Spannungsregler• Operationsverstärker

Digitale ICs:

• Gatter (AND, NAND, OR, NOR, XOR), Zähler• Speicher• Prozessoren, Mikrocontroller

10. Operationsverstärker

Operationsverstärker sind analoge integrierte Schaltungen (ICs). Sie werden

in vielen technischen Bereichen eingesetzt. Mit Operationsverstärkern

können z. B. Sensorsignale verstärkt und el. Regler aufgebaut werden.

210. Operationsverstärker

Beispiele für integrierte Schaltungen

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Schaltsymbol, Anschlüsse

10. Operationsverstärker

4

Operationsverstärker LM741, interne Schaltung

10. Operationsverstärker

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Übertragungskennlinie

10. Operationsverstärker

Die Differenz der beiden Eingangsspannungen erscheint verstärkt am Ausgang. Diese „Leerlaufverstärkung“ ist sehr hoch (Verstär-kungsfaktor ca. 104 bis 105):

UA = UD · v0

Die Leerlaufverstärkung v0wird oft logarithmisch in dB(= 20·log v0) angegeben.

0,05 0,10 0,15 UD / mV-0,15 -0,10 -0,05

5V

10V

15V

-15V

-10V

-5V

UA

Übersteuerung(min./max. Ausgangsspannung ist begrenzt!)

linearer Bereich

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Gegenkopplung, Mitkopplung

10. Operationsverstärker

Wenn an die beiden Eingänge des Operationsverstärkers unter-schiedliche Spannungen angelegt werden, führt die hohe Leerlauf-verstärkung dazu, dass am Ausgang ständig die maximale bzw. minimale Ausgangsspannung ansteht (der OPV ist übersteuert).

In der Regel ist daher eine Außenbeschaltung des Operationsver-stärkers notwendig, ein sog. Rückkopplungsnetzwerk, wodurch ein Teil der Ausgangsspannung auf einen der Eingänge zurückgeführt wird.

Wird die Ausgangsspannung auf den invertierenden („negativen“) Eingang zurückgeführt, spricht man von Gegenkopplung, sonst von Mitkopplung.

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Beispiel: Datenblatt LF411

10. Operationsverstärker

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RL

Spannungskomparator

10. Operationsverstärker

U1 U2

Liegen an den Eingängen des OPV unterschiedliche Spannungen, führt die hohe Leerlaufverstärkung dazu, dass am Ausgang ständig die max. oder min. Ausgangsspannung ansteht (OPV ist übersteuert). Dies kann dazu genutzt werden, Spannungen zu vergleichen („Komparator“).

UD

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Nichtinvertierender Verstärker

10. Operationsverstärker

UD ≈ 0

UE UA

R1

R2

RL

10

Impedanzwandler

10. Operationsverstärker

UE RL

UD ≈ 0

UA

11

Invertierender Verstärker

10. Operationsverstärker

UD≈0

UE UA

R1

R2

RL

12

Addierverstärker (invertierend)

10. Operationsverstärker

UD≈0

UE2 UA

R3

R2

R1

UE1

13

Differenzverstärker

10. Operationsverstärker

UD≈0

UE2

UA

R1

R2

R4

UE1 R3

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Differenzverstärker (Anwendungsbeispiel)

10. Operationsverstärker

UE2

UA

100 kΩ

UE1

10 kΩ

10 kΩ

100 kΩ

R4R2

R3R1

UB

B

21

2E1 U

RR

RU

B

43

4E2 U

RR

RU

Differenzverstärker mit Brückenschaltung:z. B. zur Temperatur-, Strömungsmessung

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Integrator

10. Operationsverstärker

UD≈0

UE UA

R

C

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Komparator mit Hysterese („Schmitt-Trigger“)

10. Operationsverstärker

UE UA

R2

R1

UP

UD

UE

UA

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Übungsaufgabe 10.1 (a)

10. Operationsverstärker

(SS 2010 – FA, Aufgabe 2)

Auf der folgenden Seite ist ein PI-Regler aus drei idealen Operations-verstärkern abgebildet. Die Reaktion des Reglers auf einen Sprung der Eingangsspannung uE soll ermittelt werden („Sprungantwort“).

Alle Operationsverstärker haben eine maximale Ausgangsspannung von ±10 Volt. Zum Zeitpunkt t = 0 ist der Kondensator nicht geladen.

i. Geben Sie die genaue Funktion der Verstärkerstufen OP1, OP2und OP3 an. Welche Zusammenhänge bestehen zwischen denEin- und Ausgangsspannungen bei jeder der drei Teilschaltungen?

ii. Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe von u1, u2 und uA in das vorbereitete Diagramm.

iii. Zu welchem Zeitpunkt t1 erreicht die Ausgangsspannung uA den maximal möglichen Wert von 10 Volt?

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Übungsaufgabe 10.1 (b)

10. Operationsverstärker

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Übungsaufgabe 10.1 (c)

10. Operationsverstärker