Operationsverstärker - Homepage...

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    14-Sep-2018
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  • Operationsverstrker

    VAus

    RM

    RR

    R0

    RP

    VAVX

    VBVY

    R1

    RV

    RV

    88

    8

  • Bipolar OP Struktur

    Grundstzlicher Aufbau von Operationsverstrkern. Die ersten beiden Stufensind spannungsverstrkend, die Endstufe ist oft ein reiner Stromverstrker.Bei Endstufen aus Bipolar-Transistorenist eine zweite Ansteuerungsleitung (gepunktete Linie) ntig

    V+1V1

    V-

    V2

    I

    2I

    V+

    V-

    V+

    V-

    VIVUVU

    Eingangs- Differenzstufe

    Zwischenstufe Endstufe

    VAus

    AusI

  • Frequenzgang, unbelastet

    Differenzverstrkung zweier Operationsverstrker.Die Transitfrequenz ist mit f

    t

    bezeichnet

    (Quelle: National Semiconductors )

  • Differenzstufe

    Differenzstufe mit Bipolar-Transistoren.

    Sie besteht aus zwei gegengekoppelten Emitterschaltungen,die durch eine gemeinsame Stromsenke (Transistor T

    3)

    verbunden sind

    V1 V2

    RC1 RC2

    V+

    V-

    VRef

    VDiffT1 T2

    T3IB3

  • Differenzstufe, Kleinsignal

    Kleinsignal-Ersatzschaltbild der in Differenzstufe. Es kommt ohne den Transistor T3 aus, wenn

    man diesen als ideale Stromsenke betrachtet. iB1

    und i

    B12 sind Basisstrme der Transistoren T

    1

    und T2

    rBE

    RC

    rBE

    1u 2uuDiff

    B1 iB2

    iB1 iB2RE

    (r )CE

    RE

    RC

    CE(r )i

  • Endstufe

    Bipolare Endstufe, aus drei Teilen bestehend:

    1. Pegel-Verschiebung und Verstrkung,

    2. Signalteilung fr den NPN- und den PNP-Transistor der Endstufe,

    3. Stromverstrkung in einer Gegentakt-Kollektorschaltung

    VDiff

    V+

    VAus

    B1R

    B2R

    V-

    V1R

    V2R

  • MOS Differenzstufe

    In integrierten Schaltungen weit verbreitete CMOS-Differenzstufe.

    Die Versorgungsanschlsse werden oft mit V

    DD wie Drain-Drain

    und V

    SS wie Source-Source

    bezeichnet.

    V-V1 V2

    V+(V )DD

    V- (V )SS

    VDiff

    VRef T3

    T4 T5

  • MOS OP Struktur

    Beispiel eines dreistufigen CMOS-Operationsverstrkers mit zustzlicher HF-Dmpfung gegen unerwnschtes SchwingenV-

    V1 V2

    V+(V )DD

    V- (V )SS

    VRef

    V-

    VRef

    V-

    VAusV+

    V-

    V-

    V+ V+

    V-

    V+

    Differenzstufe Pegel-Trennung HF Dmpfung Endstufe

  • Berechnung idealer OP Schaltungen

    Ersatzschaltung zur Berechnung negativ rckgekoppelter Schaltungen mit idealen Operationsverstrkern. Die gepunktete Linie deutet an, dass das Potenzial fest liegt, ohne dass eine leitende Verbindung zum nicht invertierenden Eingang besteht

    V1

    -Idealer OP

    VAusVEin ZE

    Z R

    Ein ZEV ZR VAusV1

    8

  • OP als Trennverstrker

    Dreistufiger Tiefpass mit Stromtrennung durch Operationsverstrker.

    T1uEin

    8

    8

    8

    uAusT2

    T3

  • Sallen-Key-Filter

    Aktive Filterschaltung mit einer Rckkopplung in den Eingangszweig hinein

    uAus

    Z 3

    uEin

    Z 1

    8

    Z4

    Z 2Vx

    i Ein i 2i 3

    i 4

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Mehrfach-Rckkopplung

    Aktive Filterschaltung mit doppelter Rckkopplung in den Eingangszweig hinein;

    hier ein Tiefpass

    8

    R1R4

    C2

    R3

    C5

    uEin uAus

    Vx

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Tiefpass ohne DC Divergenz

    Auf der linken Seite ist der einfachst mgliche aktive Tiefpass gezeigt. Dessen bertragungsfunktion divergiert jedoch bei kleinen Frequenzen.

    VAus

    RE

    CR

    VEin

    DC Katastrophen-Tiefpass verbesserter Tiefpass

    8

    VAus

    RE

    CR

    VEin8

    RR

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Tiefpass ohne HF Divergenz

    Auf der linken Seite ist der einfachst mgliche aktive Hochpass gezeigt. Dessen bertragungsfunktion divergiert jedoch bei groen Frequenzen. Daher wird der Hochpass rechts verwandt

    VAusVEin

    HF Katastrophen-Hochpass

    RR

    CE

    verbesserter Hochpass

    8

    VAus

    RR

    8CE REVEin

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Lambda-Sonde

    Oben:Eine Lambda-Sonde links und ihre Kennlinie rechts. Durch die Lcher dringen Abgaseein und werden mit der Auenluft verglichen(Foto:Bosch)

    Unten: Anbindung an die Fahrzeugelektronikdurch Impedanzwandler- und Verstrkerstufe

    8

    U

    8

    UA

    RM RR

    1

    0,8

    0,4

    0,2

    10-1

    10-2

    10-3

    10-4

    10-5

    10-6

    1,1 11,05 0,95 0,9

    0,6

    U

    0

    Span

    nung

    in V

    olt

    O

    Parti

    aldr

    uck

    in b

    ar2

    mager fett

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Verzgerungszeit und Slew Rate

    Anschauliche Bedeutung der Verzgerungszeit Dt. Unter der Verzgerungszeit wird die Zeit bis zum Erreichen der halben Sollspanung am Ausgang verstanden.Im Gegensatz dazu bezeichnet die Slew Rate dV

    Aus / d t die Steigung des Anstiegs

  • Tiefpassverhalten durch die Slew Rate

    Dmpfung der Spitze-Spitze-Spannung an einem Spannungsfolger durch die Slew Rate eines Operationsverstrkers bei der Speisung durch ein ideales Rechtecksignal.Fr f > f

    m werden die Ausgangssignale nur bei gleichbleibender Spannungsamplitude deformiert,

    ab f > fm bleiben Dreieckssignale mit immer kleinerer Amplitude

    Vielfaches der Frequenz ohne Amplitudenverlust (f / f )m

    Ut

    t

    t

    f /2m

    fm

    Ein

    UAus

    UAus

    Am

    plitu

    denv

    erh

    ltnis

    in

    Dez

    ibel

    0,01 0,1 1 10 100

    -5

    -15

    -25

    0

    -10

    -20

    -30

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Ausbalancieren von Eingangsstufen

    Ausbalancieren der Eingangsstrme zur Vermeidung einer von auen aufgezwungenen Offsetspannung

    schlecht: sehr unterschiedliche Eingagsstrme gut: ausbalancierte Eingagsstrme

    VAus

    CE RE

    RR CR

    VEin

    RR

    8

    VAus

    CE RE

    RR CR

    VEin

    8

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Einfache NMOS Eingangsstufe

    Aufgabe:Was bestimmt die Verlustleistung?

    Welche Transistoren sind in welchem Betriebszustand?

    Kleinsignal-Ersatzschaltbild (die unteren beiden Transistoren seien ideale Stromsenken)?

    V

    V-V1 V2

    V+(V )DD

    V- (V )SS

    VDiff

    T3

    DR DR

    V- (V )SS

    V+(V )DD

    TS

    SR

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Einfache NMOS EingangsstufeKleinsignal Ersatzschaltbild

    Lsung: Die Transistoren, welche als Stromquellen fungieren fallen heraus. Die gepunkteten Linien geben an, welch Spannungen welche Quellen steuern.

    g

    uDiff

    d2gd1 gm2gm1

    RDR D

    u -u2 S

    (g )d3

    usu -u1 S

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Schmitt Trigger

    Aufgabe:Invertierender Schmitt-Trigger (links) und dessen Schaltsymbol (rechts).Wo liegen die Umschaltpunkte?

    VAus

    RE

    R2

    VEin

    R1

    VAusVEin

    8

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Was macht der Integrator hier?

    Aufgabe: Drei Signale, die jeweils an den Eingang eines Umkehr-Integrators gelegt werden.

    Welche Signalformen erwarten Sie am Ausgang?

    U t

    t

    Ein

    UEin

    tUEin t

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Einfache Bipolar Differenzstufe

    Aufgabe: Einfache Differenzstufein Bipolar-Technik

    Welche Betriebszustnde sollten die Transistoren haben?

    Zeichnen Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild unter der Annahme, dass der Early-Effekt vernachlssigt werden kann.

    V1 V2

    RC1 RC2

    V+

    V-

    VRef

    T1 T2

    T3IB3

    VDiff

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Einfache Bipolar DifferenzstufeKleinsignal Ersatzschaltbild

    iB3

    rBE1

    RC1

    rBE2

    RC21u 2u

    uDiff

    iB1 iB2

    iB1 iB2

    rBE3

    iB3

    rBE

    RC

    rBE

    RC1u 2u

    uDiff

    i B1 B2

    iB1 iB2Eu

    23

    1

    i

    Lsung:

    Oben ist das Kleinsignal-Ersatzschaltbild einer Differenzstufe mit 1/r

    CE = 0 fr alle Transistoren

    gezeigt.

    Das Schaltbild wird deutlich einfacher, wennI

    B3 = konst. i

    B3 = 0

    angenommen wird und die Bauteile gleiche Parameter haben (unten)

  • metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch

    Bipolar Differenzstufe

    Aufgabe:

    Nehmen Sie bitte an, dass am Anfang V

    1 = V

    2 =0 sei.

    Dann wird V1 etwas erhht.

    Bitte beschreiben Sie alle Konsequenzen fr die Transistoren T

    1 bis T

    5 , die Stromflsse in

    beiden Zweigen und den Effekt auf V

    Diff

    V1 V2

    V+

    V-

    VDiffT1 T2

    T3

    T4 T5