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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Schmitt Trigger

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

VAus

RE

R2

VEin

R1

VAusVEin

8

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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

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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

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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)

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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