Single-Supply-Operationsverstärker

Klassisch werden Operations-Verstärker mit zwei symmetrischen Versorgungsspannungen (z.B. +- 15V) betrieben. Besonders bei Batterie-betriebenen Geräten möchte man auf die zweite Versorgungsspannung verzichten. Es gibt Operationsverstärker, welche speziell für den Betrieb mit einer einzigen Versorgungsspannung (= Single-Supply) optimiert sind.

Operationsverstärkerschaltungen mit Virtueller Masse (virtual ground) werden eingesetzt, wenn Wechselspannungssignale (z.B. von einem Mikrofon oder Instrument) verstärkt werden sollen.

Spezielle Operationsverstärker mit rail-to-rail input und output voltage range werden eingesetzt, falls Gleichspannungen (z.B. von Sensoren) verstärkt werden sollen oder wenn die tiefe Versorgungsspannung eines Mikro-Controllers auch für die Operationsverstärker verwendet werden soll.

In embedded systems versucht man die Sensor-Signale möglichst software-mässig im Mikro-Controller zu verarbeiten. Oft sind die Sensor-Signale allerdings zu klein, um direkt durch den Analog-Digital-Wandler des Mikro-Controllers in einen gut aufgelösten Zahlenwert umgewandelt zu werden. Eine stromsparende analoge Verstärkung und Filterung muss deshalb vorgeschaltet werden. Es gibt für diesen Zweck Operationsverstärker, welche bereits mit 1.5V und 0.03mA betrieben werden können.

Im folgenden Text werden diese Konzepte anhand häufig verwendeter Schaltungen erklärt.

Die Übungen dienen dem Vertiefen des Stoffes. Die Musterlösungen sind im Anhang.

LTspice-Simulationen: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/

Original-URL: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/SingleSupplyOperationsverstaerker.pdf

Hanspeter Hochreutener, hhrt@zhaw.ch , 10. Januar 2014

Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik, zsn.zhaw.ch

School of Engineering www.engineering.zhaw.ch

Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften www.zhaw.ch

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Inhaltsverzeichnis

1. Wechselsignal-Verstärker mit Virtueller Masse .................................................................. 3

1.1. Verstärker mit 9V-Speisung und Virtueller Masse ........................................................ 3

1.2. Offset beim nicht-inv. Eingang statt Virtueller Masse .................................................... 4

2. Gleichspannungs-Verstärker an µC-Speisung ................................................................... 5

2.1. Stromaufnahme messen .............................................................................................. 6

2.2. Instrumenten-Verstärker für Messbrücke ...................................................................... 7

2.3. Halbwellen-Gleichrichter .............................................................................................. 9

2.4. Vollwellen-Gleichrichter ................................................................................................ 9

2.5. Anti-Aliasing-Filter ...................................................................................................... 10

3. Tipps ............................................................................................................................... 11

3.1. Analog und Digital-Ground und -Speisung ................................................................. 11

3.2. Symmetrische Speisung mit Ladungspumpe .............................................................. 11

3.3. Kapazitive Last am Operationsverstärker-Ausgang .................................................... 12

3.4. Überspannungs-Schutz der Eingänge ........................................................................ 13

4. Musterlösungen zu den Übungen .................................................................................... 14

5. Literaturhinweise und Software ....................................................................................... 18

6. Lernziele ......................................................................................................................... 18

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1. Wechselsignal-Verstärker mit Virtueller Masse Diese klassische Schaltung mit symmetrischer Speisung von +-15V dient als Basis für die Herleitung der Single-Supply-Schaltung:

LTspice: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/ACverstaerkerKlassisch.asc

Die Verstärkung ist vU = 1+R1/R2 R1 und R2 werden typischerweise im Bereich 1 bis 100kΩ gewählt. Damit der input bias current keinen Fehler verursacht, wird R3 = R1||R2 gewählt.

1.1. Verstärker mit 9V-Speisung und Virtueller Masse

LTspice: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/ACverstaerkerVirtuelleMasse.asc

Der Operationsverstärker wird mit 0 und 9V gespeist.

Anstelle des 0V-Massepotentials tritt die Virtuelle Masse mit 4.5V Potential. Sie wird erzeugt durch den Spannungsteiler gebildet aus R4 und R5.

Der Querstrom durch R4 und R5 muss mindestens so gross sein, wie der maximale Strom zur Virtuellen Masse. Bei maximaler Ausgangsspannung von 4.5V fliessen durch R1 und R2 somit maximal 4.5V/111kΩ = 40µA. Bei 4.5V am Ausgang ist die Eingangsspannung 4.5V/10 = 0.45V und der Strom durch R3 0.45V/10kΩ = 45µA. Der Querstrom durch R4 und R5 muss also mindestens 40µA+45µA = 85µA betragen. Es folgt R4 = R5 = 4.5V/85µA = 53kΩ.

C3 bildet mit R3, C2 mit der Parallelschaltung von R3 und R2 sowie C1 mit dem Lastwiderstand je einen Hochpass. Bei 3 Hochpässen in Serie dürfen die einzelnen Grenzfrequenzen maximal die Hälfte der Gesamt-Grenzfrequenz betragen. Für 20Hz über alles ergibt sich also: C3 > 1/(2∙π∙10Hz∙R3) R3 = R1||R2, damit input bias current ohne Einfluss C2 > 1/(2∙π∙10Hz∙(R2||R3)) R2 und R3 sind signalmässig parallel-geschaltet

Anstelle von R4 kann eine blaue LED (ca. 3V) eingesetzt werden. So kann ohne zusätzlichen Stromverbrauch angezeigt werden, ob das Gerät eingeschaltet ist.

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Übung 1: Zeichnen sie dieses Bandpass-Filter (fr = 8kHz) um für Single-Supply mit Virtueller Masse und berechnen sie alle Bauteilwerte.

LTspice www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/BandpassKlassisch.asc

Tipp: Im Anhang finden sie die Musterlösungen zu den Übungen.

1.2. Offset beim nicht-inv. Eingang statt Virtueller Masse

LTspice www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/ACverstaerkerEinfach.asc

Den nicht-invertierenden Eingang kann man auch mit den zwei Widerständen R3 und R4 auf 4.5V heben. Statt R2 an die Virtuelle Masse anzuschliessen, kann man ihn auch mit C2 Gleichspannungs-mässig entkoppeln. Man benötigt also keine Virtuelle Masse. Es ergeben sich folgende Kostenvorteile: Einsparung von R5. Input bias current fliesst nur durch R1 (kein DC-Strom durch R2, wegen C2) => R3||R4 = R1, womit der Eingang der Schaltung hochohmig und C3 entsprechend kleiner und billiger wird. Nur der Strom von R2 fliesst durch C2; C2 wird entsprechend kleiner und billiger.

Übung 2: Zeichnen sie dieses Bandpass-Filter (fr = 8kHz) um für Single-Supply ohne Verwendung einer Virtuellen Masse und berechnen sie alle Bauteilwerte. Vergleichen sie Schaltung und Bauteilwerte mit der vorherigenn Übung.

LTspice www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/BandpassKlassisch.asc

Tipp: Im Anhang finden sie die Musterlösungen zu den Übungen.

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2. Gleichspannungs-Verstärker an µC-Speisung Klassische Operationsverstärker (z.B. uA741) haben Eingangs- (common-mode input voltage range) und Ausgangs-Spannungsbereiche, welche typischerweise ca. 1.5 V über der negativen Speisung beginnen und ca. 1.5 V unter der positiven Speisung enden. Sie können deshalb nicht an einer 3 V-Mikrocontroller-Speisung betrieben werden.

Bei Single-Supply-Operationsverstärkern (z.B. LM358) wurde durch geschickte Anordnung der Transistoren erreicht, dass sowohl der Eingangs- (input common-mode voltage range includes ground) also auch der Ausgangs-Spannungsbereich (output voltage can swing to ground) bis an die negative Speisung reichen. Beim LM358 reichen input common-mode voltage range und output voltage swing wie beim uA741 nur bis 1.5 V an die positive Speisung heran.

Bei rail-to-rail-Operationsverstärkern (z.B. LMC6482, meist in CMOS-Technologie) reichen sowohl Eingangs- (rail-to-rail input voltage range) als auch Ausgangs-Spannungsbereich (rail-to-rail output swing) bis an beide Versorgungsspannungen. Sie sind ideal geeignet für den Betrieb an einer 3 V-Mikrocontroller-Speisung.

Als Illustration die Kurvenverläufe von drei verschiedenen Operationsverstärkern (als Impedanzwandler => Verstärkung = 1) bei 3V-Speisung mit einem rail-to-rail-Eingangssignal:

Es folgen einige typische Schaltungen mit Erläuterungen.

Laborübung 1

Bauen sie mit einem Operationsverstärker einen Spannungsfolger (Impedanzwandler) auf und messen sie den Spannungsbereich, in dem der Operationsverstärker korrekt arbeitet.

Vergleichen sie die Messresultate mit den Datenblatt-Angaben.

Hinweis: Der so gemessene Bereich wird sowohl durch den common-mode input voltage range als auch durch den output voltage swing eingeschränkt.

Tipp:

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Stromaufnahme messen

LTspice: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/Strommessung.asc

Aus dem Kurvenverlauf ist ersichtlich, dass der Strom durch den Verbraucher von 20mA auf 100mA steigt und später wieder auf 20mA sinkt. Entsprechend ergibt sich am Strommess-Shunt ein Spannungsabfall, welcher mit dem Subtrahier-Verstärker verstärkt und auf Ground bezogen zum Analog-Digital-Wandler des µControllers geführt wird.

Übung 3 Kann in obiger Strommess-Schaltung der Operations-Verstärker LM358 eingesetzt werden? Decken die im Datenblatt spezifizierte Speisespannung, der common-mode input voltage range und der output voltage swing den benötigten Bereich ab?

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2.1. Instrumenten-Verstärker für Messbrücke

LTspice: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/Messbruecke.asc

Die Teilschaltungen werden beschrieben:

Messbrücke (z.B. piezoresistiver Drucksensor, Dehnmesstreifen, etc.)

RB1 und RB4 werden grösser, RB2 und RB3 werden kleiner. Der Messbereich geht von d = 0.0 (Alle Widerstände = 1.0kΩ) bis zu d = 0.3 (RB1 = RB4 = 1.3kΩ, RB2 = RB3 = 0.7kΩ)

Der Gesamtwiderstand der Messbrücke beträgt RB = (RB1+RB4)||(RB2+RB3) = 1.0kΩ Der Strom durch die Messbrücke ist 3V / (RB + RBstrom) = 2.0mA Durch RB1 bis RB4 fliessen demnach 1.0mA und die Asugangsspannung der Messbrücke wird (UB+ - UB-) = 0mV bis 600mV

Instrumentenverstärker Es handelt sich um einen Subrtrahierverstärker (U3) mit zwei vorgeschalteten nicht-invertierenden Verstärkern mit hochohmigen Eingängen (U1 und U2). Die Ausgangsspannung (UB_ADC) ist bezogen auf die Analoge Schaltungsmasse (aGND). Die Verstärkung des Instrumentenverstärkers berechnet sich zu

vU = (UB_ADC - aGND) / (UB+ - UB-) = (1+2∙R8/R10)∙R2/R1 = 5

Die Ausgangsspannung für den ganzen Messbereich ist damit 0mV bis 3000mV

Strommessung Um den Einfluss von Temperatur- und Spannungsschwankungen kompensieren zu können, wird der Strom durch die Messbrücke als Spannungsabfall an RBstrom erfasst, mit einem nicht-invertirenden Verstärker verstärkt und via IB_ADC gemessen.

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Spannungsversorgungs-Filter Auf der Spannungsversorgung für die digitalen Bausteine (µC) hat es Spannungsspitzen, verursacht durch Stromspitzen beim Umschalten des Clock-Signals. Der Kondensator CsiebDigital liefert die benötigten Stromspitzen und reduziert die Spannungsspitzen auf der Speisespannung (dVDD). Weil diese Impulse die Operationsverstärker stören können, muss die analoge Speisung (aVDD) gefiltert werden. Bei ca. 5mA Stromaufnahme fallen an RsiebAnalog 50mV ab. Die Grenzfrequenz des RC-Filters ist fg = 1/(2∙π∙RsiebAnalog∙CsiebAnalog) = 159kHz Das ist ca. ein Faktor 100 tiefer als die Clock-Frequenz des Mikro-Controllers.

Analog (aGND) und Digital-Ground (dGND) müssen ebenfalls sauber getrennt werden. In der Regel werden sie an einem einzigen Punkt beim Analog-Ground des Analog-Digital-Wandlers verbunden.

Kontrolle durch Simulation der Schaltung Statt der erwarteten Ausgangsspannung von 0mV bis 3000mV bei d = 0.0 bis 0.3 ergibt die Simulation folgenden Verlauf:

Der Verlauf der Ausgangsspannung der Messbrücke (blau) von 0mV bis 600mV entspricht den Erwartungen. (Die Abszisse entspricht dem Messbrücken-Faktor d = 0.0 bis 0.3)

Der Verlauf der Ausgangsspannung des Instrumentenverstärkers hingegen stimmt nicht.

Übung 4 Was ist die Ursache für die Abweichung von 65mV bei d = 0.0?

Wie gross ist diese Abweichung gemäss Datenblatt des LMC6482?

Wem trauen sie mehr: der Simulation oder dem Datenblatt?

Zur Erinnerung: Im Anhang finden sie die Musterlösungen zu den Übungen.

Übung 5 Was ist die Ursache für die Abweichung bei d >= 0.2?

Tipp: Berechnen sie die Spannungen UB+, UB-, UB++ und UB-- für d = 0.3 und beachten sie, dass die Operationsverstärker mit 3V gespeist werden.

Übung 6 Wie kann der Operationsverstärker U1 vor Übersteuerung (siehe Übung 5) geschützt werden?

Nennen sie mindestens 2 Lösungsmöglichkeiten.

Übung 7 Wie gross ist die Ausgangsspannung IB_ADC der Strommessung? Ist dieser Wert vernünftig?

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2.2. Halbwellen-Gleichrichter Im Datenblatt des LMC6482 ist folgender Halbwellen-Gleichrichter unter dem Titel „Typical Single-Supply Applications“ erwähnt:

LTspice: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/HalbwellenGleichrichter.asc

Übung 8

Erscheint am Ausgang die positive oder die negative Halbwelle?

Wozu dienen die Widerstände R1 und R2?

Laborübung 2 Bauen sie den Gleichrichter auf und überprüfen sie dessen Genauigkeit.

Messen sie VoutHalf für diese Werte von Vin: 1000, 100, 10, 1, 0, -1, -10, -100 und -1000mV

2.3. Vollwellen-Gleichrichter Im Datenblatt des LMC6482 ist folgender Vollwellen-Gleichrichter unter dem Titel „Typical Single-Supply Applications“ erwähnt:

LTspice: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/VollwellenGleichrichter.asc

Übung 9

Zeichnen sie für ein Sinus-Signal mit 1V Amplitude den Verlauf der Spannungen am Eingang und am Ausgang des Operationsverstärkers auf.

Was passiert, wenn der Ausgang VoutFull mit einem Widerstand von 1kΩ belastet wird? Wie kann dieser Fehler korrigiert werden?

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2.4. Anti-Aliasing-Filter Im Datenblatt des LMC6482 ist folgendes Tiefpass-Filter 2. Ordnung, welches auch als Anti-Aliasing-Filter vor dem Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden kann, unter dem Titel „Typical Single-Supply Applications“ abgebildet:

Übung 10 Im Schema sind keine Speisespannungen für die Operationsverstärker eingezeichnet. Woher beziehen die Operationsverstärker die Energie?

Übung 11 Welche Randbedingungen müssen für die Spannung VIN erfüllt sein, wenn die Operationsverstärker mit 3V-Single-Supply gespeist werden?

Übung 12 Dimensionieren sie die Bauteile für Grenzfrequenz f = 8kHz und Dämpfungsfaktor DF = 0.5.

Laborübung 3 Bauen sie das Tiefpassfilter mit Grenzfrequenz f = 8kHz und Dämpfungsfaktor DF = 0.5 auf

und messen sie die Verstärkung bei folgenden Frequenzen: 0, 0.1, 1, 8, 20, 100 und 1000kHz.

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3. Tipps

3.1. Analog und Digital-Ground und -Speisung Da Single-Supply-Operationsverstärker oft zusammen mit Mikro-Controllern an der selben Speisung betrieben werden, muss darauf geachtet werden, dass keine Störungen über die Speisung oder die Masse vom Digitalteil in den Analogteil verschleppt werden können.

Digitalteil Problematisch sind insbesondere die Stromspitzen, welche bei jedem Umschalten des Clock-Signals entstehen. Diese müssen durch keramische Block-Kondensatoren von 10 bis 100nF abgeblockt werden. Und zwar müssen die Kondensatoren in unmittelbarer Nähe zu den IC-Anschlüssen platziert werden, damit keine induktiven Störspannungen entstehen können.

Zusätzlich ist es wichtig, dass die Masse sehr niederohmig und niederinduktiv als Ground-Plate ausgeführt wird.

Analogteil Störungen auf den Speisespannungen von Operationsverstärkern verschlechtern deren Eigenschaften massiv. Im Extremfall können die Ausgänge schwingen oder eine falsche Spannung ausgeben. Die Speisespannungen müssen durch keramische Block-Kondensatoren von 10 bis 100nF abgeblockt werden.

Der Speisung des Analogteils wird mit einem RC-Tiefpass gefiltert, damit keine Störungen vom Digitalteil übersprechen können. Der Widerstand wird so klein (R = ca. 10Ω) gewählt, dass der Spannungsverlust unter ca. 100mV liegt. Die Grenzfrequenz des RC-Tiefpasses wird 100 bis 1000 mal tiefer als die Taktfrequenz des Digitalteils gewählt => C = 1(2∙π∙fg∙R) Anstelle des RC-Filters kann auch ein LC-Filter verwendet werden. Richtig dimensioniert, ist die Filterwirkung noch besser.

Die Masse des Analogteils wird sternförmig (= galvanische Störungen ausgeschlossen) oder als Ground-Plate (= niederohmig) ausgeführt. Auf der Leiterplatte werden die Massen von Analog- und Digitalteil strikt separat geführt und nur an einem einzigen Punkt verbunden (in der Regel beim Analog-Ground des Analog-Digital-Wandlers).

Übung 13 Dimensionieren sie das RC-Filter für die Speisung des Analogteils für diese Schaltung:

Digitalteil: Speisespannung = 2.8 bis 3.3V, Stromaufnahme = 80mA, Taktfrequenz = 10MHz

Analogteil: Speisespannung minimal 2.7V, Stromaufnahme = 6mA

3.2. Symmetrische Speisung mit Ladungspumpe Falls man keinen Operationsverstärker mit 3V-Speisung findet, der alle anderen Anforderungen erfüllt, kann man aus einer 3V-Speisung mit Hilfe einer Ladungspumpe eine symmetrische Speisung von +-6V erzeugen.

Es gibt integrierte Schaltungen, welche extern nur 4 Kondensatoren benötigen:

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3.3. Kapazitive Last am Operationsverstärker-Ausgang Operationsverstärker tendieren zu hochfrequenten Schwingungen, wenn der Ausgang (durch ein langes Kabel oder einen Analog-Digital-Wandler-Eingang) kapazitiv belastet wird.

Besonders empfindlich ist die CMOS-Technologie, welche in den rail-to-rail-Operationsverstärkern eingesetzt wird.

Im Datenblatt des LMC6482 werden folgende Lösungsmöglichkeiten empfohlen:

In beiden Fällen wird die kapazitive Last CL durch den 300Ω-Widerstand vom Operationsverstärker-Ausgang „isoliert“, womit der Schwingneigung entgegengewirkt wird.

Die Lösung links hat den Nachteil, dass die Ausgangsspannung nach dem 300Ω-Widerstand nicht genau ist, sobald ein Strom fliesst => nur geeignet für hochohmige Last.

Bei der Lösung rechts wird die Spannung VOUT über den 10kΩ-Widerstand gemessen und nachgeregelt => sie ist auch genau, wenn ein Strom fliesst. Über C1 werden die hochfrequenten Anteile gegengekoppelt, um die Schaltung zu stabilisieren.

Übung 14

Lesen sie im Datenblatt nach bis zu welcher kapazitiven Last der Operationsverstärker LMC 6482 als Spannungsfolger (vU = 1) stabil ist.

Übung 15 Sie messen das Signal am Operationsverstärker-Ausgang mit einer Oszilloskopsonde. Wie gross sind die Sondenkapazitäten in der Einstellen 1:1 und 10:1?

Übung 16 Sie schliessen das Oszilloskop über ein 1m langes 50Ω-Koaxkabel (Typ RG58) an den Operationsverstärker-Ausgang an. Verursacht die Kabelkapazität Stabilitätsprobleme?

Übung 17

Sie schliessen zwei Geräte über ein 2m langes Flachbandkabel (Typ AWG28) zusammen. Die beiden Leiter auf beiden Seiten der Signalleitung dienen als Abschirmung und sind an Masse angeschlossen. Wie gross ist die Kapazität?

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3.4. Überspannungs-Schutz der Eingänge Elektrische Bauteile können durch Überspannung zerstört werden. Bei richtig ausgelegten Schaltungen kann die Überspannung nur über externe Anschlüsse in die Schaltung gelangen. Meist handelt es sich um elektrostatische Spannungen (ESD = electro-static discharge) oder um kurze Transienten, verursacht durch einen Schaltvorgang oder einen Blitzeinschlag in der Umgebung.

Besonders empfindlich sind hochohmigen Eingänge. Diese einfache Schaltung bietet einen guten Schutz und sollte für jeden externen Eingang vorgesehen werden, wenn keine speziellen Anforderungen gestellt werden.

Rein = 1kΩ ist ein guter Kompromiss: eine Überspannung in der Grössenordnung kV kann während einigen ms sicher abgeführt werden ohne die Dioden oder den Widerstand zu überlasten.

Der Kondensator C ist optional. Neben dem Schutz vor schnellen Transienten, kann er auch die Aufgabe eines Anti-Aliasing-Filters (1. Ordnung) vor dem Analog-Digital-Wandler übernehmen. Er muss für die gewünschte Frequenz ausgelegt werden C = 1/(2∙π∙f∙Rein).

Für digitale Eingänge und Ausgänge ist der Einsatz von Optokopplern der beste Schutz.

Viele Operationsverstärker haben als ESD-Schutz bereits Dioden integriert. In diesem Fall reicht ein Widerstand Rein zur Strombegrenzung. Da die Eingangsströme bei vielen Operationsverstärkern maximal ca. 5mA (kurzfristig bis ca. 50mA) betragen dürfen, wird in diesem Fall oft Rein = 10kΩ gewählt. Das Datenblatt soll auf jeden Fall konsultiert werden.

Operationsverstärker-Ausgänge können durch einen Serie-Widerstand (z.B. 47Ω) meistens ausreichend geschützt werden.

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4. Musterlösungen zu den Übungen Übung 1: Zeichnen sie dieses Bandpass-Filter (fr = 8kHz) um für Single-Supply mit Virtueller Masse und berechnen sie alle Bauteilwerte.

LTspice: www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/BandpassKlassisch.asc

LTspice www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/BandpassVirtuelleMasse.asc

Übung 2: Zeichnen sie dieses Bandpass-Filter (fr = 8kHz) um für Single-Supply ohne Verwendung einer Virtuellen Masse und berechnen sie alle Bauteilwerte. Vergleichen sie Schaltung und Bauteilwerte mit der vorherigenn Übung.

LTspice www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/BandpassKlassisch.asc

LTspice www.zhaw.ch/~hhrt/EK1/SingleSupplyOperationsverstaerker/BandpassEinfach.asc

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Übung 3 Kann in obiger Strommess-Schaltung der Operations-Verstärker LM358 eingesetzt werden? Decken die im Datenblatt spezifizierte Speisespannung, der common-mode input voltage range und der output voltage swing den benötigten Bereich ab?

Anforderungen Gemäss Schaltung Datenblatt LM358 geeignet

Speisespannung 3V 3V bis 30V ja

Common-mode input voltage range

Ohne Strom durch Rshunt: 3V∙20kΩ/(1kΩ+20kΩ) = 2.9V

VCC+ - 1.5V = 1.5V nein

output voltage swing Gemäss Beispiel: 0V bis 2V

VCC+ - 1.3V = 1.7V nein

Übung 4 Was ist die Ursache für die Abweichung von 65mV bei d = 0.0?

Ursache ist der Spannungsabfall am Transistor, welcher gegen Ground schaltet.

Wie gross ist diese Abweichung gemäss Datenblatt des LMC6482?

Ohne Signal sind UB+ = UB- = UB++ = UB-- = 2V IR4 = UB-- / (R3+R4) = 50µA => 9mV Spannungsabfall (Datenblatt)

Wem trauen sie mehr: der Simulation oder dem Datenblatt?

Das Datenblatt ist genauer, da es auf gemessenen Werten basiert. Die Simulation baut auf einem mathematischen Modell auf, welches das reale Verhalten nur annähert.

Im konkreten Fall ist es so, dass das Modell unabhängig vom Strom 65mV Spannungsabfall ausgibt. Real ist es aber ein Durchlass-Widerstand eines FET. Gemäss Datenblatt beträgt dieser 130Ω. Der Spannungsabfall also 50µA∙130Ω = 7mV (9mV gemäss Kennlinie).

Übung 5 Was ist die Ursache für die Abweichung bei d >= 0.2?

Tipp: Berechnen sie die Spannungen UB+, UB-, UB++ und UB-- für d = 0.3 und beachten sie, dass die Operationsverstärker mit 3V gespeist werden.

UB+ = URBstrom + URB4 = 1V + 1.3V = 2.3V

UB- = URBstrom + URB3 = 1V + 0.7V = 1.7V

UB++ = UB+ +UR8 = UB+ +R8∙IR8 = UB+ +R8∙(UB+ - UB-)/R10 = 3.5V also > 3V-Speisung! UB-- = UB- -UR9 = UB- -R9∙IR9 = UB- -R9∙(UB+ - UB-)/R10 = 0.5V

UB++ kann nicht höher werden, als die 3V-Speisung => er wird übersteuert.

Übung 6 Wie kann der Operationsverstärker U1 vor Übersteuerung (siehe Übung 6) geschützt werden?

Nennen sie mindestens 2 Lösungsmöglichkeiten.

Lösung 1: Operationsverstärker U1 und U2 müssen weniger und U3 muss mehr verstärken Z.B. R8 = R9 = 5kΩ und R2 = R4 = 50kΩ

Lösung 2: Operationsverstärker mit 5V speisen, statt mit 3V

Lösung 3: Am oberen Ende der Brücke einen zusätzlichen 500Ω-Widerstand einfügen, damit wird der common-mode von UB+ und UB- zu 1.5V (= genau in die Mitte der 3V-Speisung).

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Übung 7 Wie gross ist die Ausgangsspannung IB_ADC der Strommessung? Ist dieser Wert vernünftig?

IRBstrom = 2mA URBstrom = 2mA∙500Ω = 1V Ausgangsspannung IB_ADC = URBstrom∙(1+R6/R5) = 2V (= 2/3 der 3V-Speisung) Das ist eine gute Wahl: genügend Reserve gegen oben und ADC wird zu 2/3 ausgesteuert

Übung 8

Erscheint am Ausgang die positive oder die negative Halbwelle?

Die Schaltung ist ein nicht-invertierender Verstärker mit Verstärkung = 1. Da der Ausgang nur Werte > 0V annehmen kann, wird die positive Halbwelle ausgegeben.

Wozu dienen die Widerstände R1 und R2?

R2 dient der Strombegrenzung beim nicht-invertierenden Eingang. Unter -0.6V beginnt eine interne Schutzdiode zu leiten. Der erlaubte Maximalstrom ist gemäss Datenblatt 5mA.

Der input bias current (= Eingangsstrom) erzeugt an R1 den gleichen Spannungsabfall wie an R2, womit dieser Einfluss kompensiert wird. Beim CMOS-Operationsverstärker LMC6482 wäre R1 nicht nötig, da der Eingangsstrom 20fA beträgt; der Fehler wäre nur 20fA∙10kΩ = 0.2nV.

Übung 9

Zeichnen sie für ein Sinus-Signal mit 1V Amplitude den Verlauf der Spannungen am Eingang und am Ausgang des Operationsverstärkers auf.

Bei der positiven Signal-Halbwelle, müsste der Operationsverstärker-Ausgang negativ (0V wegen single supply) werden und die Diode sperrt. Das Signal fliesst über R4 zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und weiter über R3 zu VoutFull.

Bei der negativen Halbwelle arbeitet der Operationsverstärker als invertierender Verstärker (vU = -1) bezogen auf VoutFull. Damit VoutFull (= Gegenkopplung über R3) stimmt, bringt der Operations-verstärker noch die ca. 0.5V Spannungsabfall für die Diode auf.

Was passiert, wenn der Ausgang VoutFull mit einem Widerstand von 1kΩ belastet wird? Wie kann dieser Fehler korrigiert werden?

Bei der negativen Halbwelle ist der Operationsverstärker aktiv und die VoutFull stimmt. Bei der positiven Halbwelle ist der Operationsverstärker passiv => Spannungsteiler VoutFull = Signal∙1kΩ/(1kΩ+R3+R4) = Signal∙1/21

Übung 10 Im Schema sind keine Speisespannungen für die Operationsverstärker eingezeichnet. Woher beziehen die Operationsverstärker die Energie?

Die Spannungsversorgung wird im Schema oft weggelassen, da sie als selbstverständlich vorhanden angesehen wird. Beim Schaltungsaufbau darf man sie allerdings nicht vergessen.

Übung 11 Welche Randbedingungen müssen für die Spannung VIN erfüllt sein, wenn die Operationsverstärker mit 3V-Single-Supply gespeist werden?

Wenn man beim Tiefpass-Filter die Kondensatoren weglässt, erhält man die Verstärkung bei Gleichspannung: im diesem Fall sind es zwei Spannungsfolger. Damit diese nicht übersteuert werden, muss die Spannung VIN innerhalb der Speisespannung sein, also zwischen 0V und 3V.

In der Nähe der Grenzfrequenz ist die Verstärkung bei Dämpfungsfaktoren unter 0.7 grösser als 1 und die Spannung VIN darf nicht bis an 0V und 3V reichen, wenn man Clipping vermeiden möchte.

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Übung 12 Dimensionieren sie die Bauteile für Grenzfrequenz f = 8kHz und Dämpfungsfaktor DF = 0.5.

R1 = R2 = 10kΩ frei wählbar innerhalb eines Bereichs von ca. 1kΩ bis 100kΩ

C1 = C2 = 1/(2∙π∙f∙R1) = 2nF

Bemerkung: Die Gleichung für DF ist redundant, weil C2/C1 = 1 und R2/R1 = 1 durch die beiden anderen Gleichungen bereits fixiert ist => falls der DF einen anderen Wert aufweisen soll, darf man R1 = R2 und C1 = C2 nicht verwenden. Die Formeln für diesen Fall findet man in der Einschlägigen Literatur.

Übung 13 Dimensionieren sie das RC-Filter für die Speisung des Analogteils für diese Schaltung:

Digitalteil: Speisespannung = 2.8 bis 3.3V, Stromaufnahme = 80mA, Taktfrequenz = 10MHz

Analogteil: Speisespannung minimal 2.7V, Stromaufnahme = 6mA

R < (2.8V - 2.7V)/6mA = 17Ω Wahl: R = 15Ω

C > 1/(2∙π∙f/100∙R) = 11nF Wahl: C = 100nF keramisch (gleicher Preis, aber 9*besser)

Übung 14

Lesen sie im Datenblatt nach bis zu welcher kapazitiven Last der Operationsverstärker LMC 6482 als Spannungsfolger (vU = 1) stabil ist.

Der Text im Datenblatt erwähnt, dass der Operationsverstärker bis 100pF stabil ist. Der worst case aus den Grafiken ist ca. 300pF.

Übung 15 Sie messen das Signal am Operationsverstärker-Ausgang mit einer Oszilloskopsonde. Wie gross sind die Sondenkapazitäten in der Einstellen 1:1 und 10:1?

Im Datenblatt des Oszilloskops steht: 1 MΩ ±2% in parallel with 20 pF ±3 pF

Mit der 10:1 Sonde sind es 10MΩ parallel mit 2pF

Beide Kapazitätswerte sind für den LMC6482 unkritisch.

Übung 16 Sie schliessen das Oszilloskop über ein 1m langes 50Ω-Koaxkabel (Typ RG58) an den Operationsverstärker-Ausgang an. Verursacht die Kabelkapazität Stabilitätsprobleme?

Internet-Suche nach: Kapazität RG58 => http://www.thiecom.de/kabelvergleich.htm => 102pF/m

102pF sind schon recht nahe an der Stabilitätsgrenze => Oszilloskop-Sonden verwenden

Übung 17

Sie schliessen zwei Geräte über ein 2m langes Flachbandkabel (Typ AWG28) zusammen. Die beiden Leiter auf beiden Seiten der Signalleitung dienen als Abschirmung und sind an Masse angeschlossen. Wie gross ist die Kapazität?

Internet-Suche nach: Kapazität AWG28 => http://www.medikabel.de/Katalog/Seite_C-Dateien/C4.pdf => 60pF/m

120pF (für 2m) sind schon recht nahe an der Stabilitätsgrenze => Operationsverstärker-Ausgang mit Widerstand entkoppeln.

SingleSupplyOperationsverstaerker.docSeite 17 / 18 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

5. Literaturhinweise und Software Online-Datenblätter elektronischer Bauteile: www.datasheetcatalog.com/

LTspice IV is a high performance Spice III simulator, schematic capture and waveform viewer with enhancements and models for easing the simulation of switching regulators. Windows- und Linux-SW, gratis Download, vom Halbleiter-Hersteller Linear Technology, www.linear.com/designtools/software/

TINA Design Suite v7, Das komplette Elektroniklabor Analyse, Design & Echtzeit-Test von analogen, digitalen, VHDL- und gemischten elektronischen Schaltkreisen und deren Layouts. Windows-SW, Studenten-Version 69€, www.tina.com/

6. Lernziele Die Studierenden sind in der Lage ohne Unterlagen folgende Aufgaben zu lösen:

• Eine gegebene Schaltung von symmetrischer Speisung auf Single-Supply umbauen.

• Entscheiden, ob ein rail-to-rail-Operationsverstärker eingesetzt werden muss.

• Erklären, warum die Blockkondensatoren bei der Speisung wichtig sind.

• Erklären, warum Analog und Digital-Ground und -Speisung separat geführt werden.

Die Studierenden sind in der Lage mit Hilfe schriftlicher Unterlagen (Skript, Datenblätter, etc.) folgende Aufgaben zu lösen:

• Bauteile für die virtuelle Masse dimensionieren.

• Entscheiden, ob ein bestimmter Operationsverstärker in einer gegebenen Schaltung eingesetzt werden kann.

• Berechnen, ob ein Operationsverstärker in einer Schaltung übersteuert wird.

• Einen RC-Tiefpass für die Filterung der Analog-Speisung dimensionieren.

SingleSupplyOperationsverstaerker.docSeite 18 / 18 H. Hochreutener, SoE@ZHAW