WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinInformationstechnik– 1.4 Operationsverstärker 1

1.4 Operationsverstärker

OPV sind Analogschaltkreise. Analogschaltkreise verarbeiten analoge elektrische Signale. Es können

drei Schaltkreisarten unterschieden werden.1. Universalschaltkreise für Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, analoge Datenverarbeitung und Konsumgütertechnik, deren wichtigster Vertreter der Operationsverstärker (OPV) ist.2. IC zur Stabilisierung von Versorgungsspannungen (Gerätetechnik)3. Spezialschaltkreise z.B. zur Kamerasteuerung, Unterhaltungselektronik,

Automatisierungstechnik usw.Im folgenden beschränken wir uns wegen seiner Bedeutung auf den Operationsverstärker (OPV).

OPV sind mehrstufige hoch verstärkende Gleichspannungsverstärker hoher Bandbreite mit einem Differenzeingang und einem Ausgang.Mit ihnen lassen sich Schaltungen aufbauen, deren Eigenschaften praktisch nur von der äußeren Beschaltung abhängen und nicht vom OPV selbst.

Realisierbare Funktionen:•Vorzeichenumkehr•Addition, Subtraktion•Multiplikation, Division•Logarithmieren•Potenzieren, Radizieren•Differenzieren, Integrieren•Verstärken (invertierend und nichtinvertierend)•Konstantspannungs- und Konstantstromquelle•Komparator•Filter und Oszillator

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E1 : invertierender Eingang

E2 : nicht invertierender Eingang

-

+

E1

E2

A

A : Ausgang

Symbol:

OPV werden mit symmetrischer Betriebsspannung betrieben.

-

+

Der Mittelpunkt der Spannungsversorgung bildet die Masse.

Dadurch kann die Ausgangsspannung Ua des OPV positiv oder negativ sein.

T1

T2

Wenn T1 und T2 nicht angesteuert werden, dann beträgt die Spannung am Ausgang 0V.

Wenn T1 angesteuert wird, verringert er seinen Widerstand, der Spannungsabfall UCE1 wird geringer. Die Ausgangsspannung Ua wird positiv.Wenn T2 angesteuert wird, verringert er seinen Widerstand, der Spannungsabfall UCE2 wird geringer. Die Ausgangsspannung Ua wird negativ.

V

Ua

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OPV haben nahezu ideale Eigenschaften:

1. Spannungsverstärkung im Leerlaufverstärkung vu → 2. Eingangswiderstand RE → (Widerstand zwischen den beiden Eingängen)3. aus RE → folgt IE → 04. Ausgangswiderstand RA → 0Das Verhalten von OPV wird durch ihre Übertragungs- oder Transferkennlinie deutlich. Übertragungskennlinien stellen den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen von Systemen her.

+Ue-Ue

-Ua

+Ua Transverkennlinie des idealen OPV+UB

-UB

Betriebsspannung

Transverkennlinie des realen OPV

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Anwendung des OPV als invertierender Verstärker

Die Stromversorgung wird bei Schaltungen mit ICs nicht mitgezeichnet.

-

+

R1

R2

Ue Ua1

2

R

R

U

Uv

E

Au

Spannungsverstärkung vu

Bei jeder Änderung der Eingangsspannung Ue stellt sich durch die Rückkopplung mit R2 die Ausgangsspannung Ua so ein, dass die Differenzspannung UD zwischen beiden Eingängen 0 wird.

UD

Wirkungsweise:

Wenn Ue steigt, erhöht sich auch UD. Da der nicht invertierende Eingang angesteuert wird, muss sich die Ausgangsspannung Ua verringern.

R1

Ue

UE-

Ua

UE-

R2

OPV Über R2 wird die Verringerung der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang des OPV zurückgekoppelt.

Dadurch verringert sich die UD.

Der Vorgang stoppt, wenn UD = 0V ist.

UD

UD → 0

4.2.2 OPV in Verstärkerbetrieb

Das Minuszeichen kennzeichnet die invertierende Wirkung des OPV.

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Anwendung des OPV als nicht invertierender Verstärker

1

21R

R

U

Uv

E

Au

Spannungsverstärkung vu

Bei jeder Änderung der Eingangsspannung Ue stellt sich durch die Rückkopplung mit R2 die Ausgangsspannung Ua so ein, dass die Differenzspannung UD zwischen beiden Eingängen 0 wird.

Wirkungsweise:

Wenn Ue steigt, erhöht sich auch UE+. Da der nicht invertierende Eingang angesteuert wird, muss sich die Ausgangsspannung Ua vergrößern.

R1

Ue

UE+

Ua

UE-

R2

OPVÜber R2 wird die Vergrößerung der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang des OPV zurückgekoppelt.

Dadurch verringert sich die UD.

Der Vorgang stoppt, wenn UD = 0V ist.

-

+

R1

R2

Ue

Ua

UD

UD → 0 Folglich vergrößert sich auch die Spannung am invertierenden Eingang.

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4.2.3 RC- Glieder mit OPV

4.2.3.1 Aktiver Hoch- und Tiefpass

-

+Ue Ua

-

+Ue Ua

Hoch- und Tiefpässe sind Filterschaltungen mit RC- Gliedern. Verknüpft man die RC – Glieder mit OPVs, dann erhält man aktive, d.h. verstärkende Filter.

Tiefpass Hochpass

R2 R2

R1 R1

C

C

Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand XC des Kondensators.

Dadurch wird gesamte Rückkopplungs-

widerstand aus R2IIXC geringer.

Wegen

1

2

1

2 ......R

Zvauchgilt

R

Rv uu

Die Verstärkung wird mit wachsender

Frequenz geringer!

Dadurch wird gesamte Einganngs-

widerstand aus R1IIXC geringer.

Wegen

1

2

1

2 ......Z

Rvauchgilt

R

Rv uu

Die Verstärkung wird mit wachsender

Frequenz größer!

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-

+Ue Ua

-

+Ue Ua

Tiefpass Hochpass

R2

R2

R1 R1

C

C

Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand XC des Kondensators.

Dadurch wird gesamte Rückkopplungs-

widerstand Z aus R2 paralell XC geringer.

Wegen wird die Verstärkung geringer. 1R

Zvu

f XCvU Ua

Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand XC des Kondensators.

Dadurch wird gesamte Eingangswiderstand

Z aus R1 in Reihe XC geringer.

Wegen wird die Verstärkung größer. Z

Rvu

2

f XCvU Ua