Operationsverstärker

VAus

RM

RR

R0

RP

VAVX

VBVY

R1

RV

RV

88

8

Bipolar OP Struktur

Grundsätzlicher Aufbau von Operationsverstärkern. Die ersten beiden Stufensind spannungsverstärkend, die Endstufe ist oft ein reiner Stromverstärker.Bei Endstufen aus Bipolar-Transistorenist eine zweite Ansteuerungsleitung (gepunktete Linie) nötig

V+1

V1

V-

V2

I

2I

V+

V-

V+

V-

VIVUVU

Eingangs- Differenzstufe

Zwischenstufe Endstufe

VAus

AusI

Frequenzgang, unbelastet

Differenzverstärkung zweier Operationsverstärker.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

VDiff

T1 T2

T3

IB3

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 Basisströme der Transistoren T

1

und T2

rBE

RC

rBE

1u 2uuDiff

B1 βiB2

iB1 iB2RE

(r )CE

RE

RC

CE(r )βi

Endstufe

Bipolare Endstufe, aus drei Teilen bestehend:

1. Pegel-Verschiebung und Verstärkung,

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

3. Stromverstärkung in einer Gegentakt-Kollektorschaltung

VDiff

V+

VAus

B1R

B2R

V-

V1R

V2R

MOS Differenzstufe

In integrierten Schaltungen weit verbreitete CMOS-Differenzstufe.

Die Versorgungsanschlüsse 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-Operationsverstärkers mit zusätzlicher HF-Dämpfung gegen unerwünschtes SchwingenV-

V1 V2

V+(V )DD

V- (V )SS

VRef

V-

VRef

V-

VAus

V+

V-

V-

V+ V+

V-

V+

Differenzstufe Pegel-Trennung HF Dämpfung Endstufe

Berechnung idealer OP Schaltungen

Ersatzschaltung zur Berechnung negativ rückgekoppelter Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern. 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 VAus

V1

8

OP als Trennverstärker

Dreistufiger Tiefpass mit Stromtrennung durch Operationsverstärker.

T1uEin

8

8

8

uAusT2

T3

Sallen-Key-Filter

Aktive Filterschaltung mit einer Rückkopplung 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-Rückkopplung

Aktive Filterschaltung mit doppelter Rückkopplung in den Eingangszweig hinein;

hier ein Tiefpass

8

R1

R4

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 mögliche aktive Tiefpass gezeigt. Dessen Übertragungsfunktion 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 mögliche aktive Hochpass gezeigt. Dessen Übertragungsfunktion divergiert jedoch bei großen Frequenzen. Daher wird der Hochpass rechts verwandt

VAus

VEin

HF Katastrophen-Hochpass

RR

CE

verbesserter Hochpass

8

VAus

RR

8CE RE

VEin

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Lambda-Sonde

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

Unten: Anbindung an die Fahrzeugelektronikdurch Impedanzwandler- und Verstärkerstufe

8

Uλ

8

UA

RMRR

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

Spa

nnun

g in

Vol

t

O

Par

tiald

ruck

in b

ar2

λ

λ

mager fett

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Verzögerungszeit und Slew Rate

Anschauliche Bedeutung der Verzögerungszeit Dt. Unter der Verzögerungszeit 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

Dämpfung der Spitze-Spitze-Spannung an einem Spannungsfolger durch die Slew Rate eines Operationsverstärkers bei der Speisung durch ein ideales Rechtecksignal.Für 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

erhä

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 Eingangsströme zur Vermeidung einer von außen aufgezwungenen Offsetspannung

schlecht: sehr unterschiedliche Eingagsströme gut: ausbalancierte Eingagsströme

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

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

g

uDiff

d2g

d1 gm2

gm1

RDR D

u -u2 S

(g )d3

us

u -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 Betriebszustände sollten die Transistoren haben?

Zeichnen Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild unter der Annahme, dass der Early-Effekt vernachlässigt 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

RC2

1u2u

uDiff

iB1 iB2

iB1 iB2

rBE3

iB3

rBE

RC

rBE

RC

1u2u

uDiff

βi B1 B2

iB1 iB2Eu

23

1

βi

ββ

β

Lösung:

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

CE = 0 für 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 erhöht.

Bitte beschreiben Sie alle Konsequenzen für die Transistoren T

1 bis T

5 , die Stromflüsse in

beiden Zweigen und den Effekt auf V

Diff

V1 V2

V+

V-

VDiff

T1 T2

T3

T4 T5

VRef IB3

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Rechenoperationsverstärker

Aufgabe: Wie müssen die Widerstände gewählt werden, damit die Rechenoperation

VAus

= VP - V

M

ausgeführt wird?

Mit welchen Dimensionierungen kann die Schaltung auch für die allgemeinere Operation

VAus

= a(VP - V

M )

eingesetzt werden?

VAus

RM

RR

VM

R0

VPRP

8

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Aktiver Gleichrichter

Aufgabe: Wie sieht die Kennlinie für

RE = 3 R

R aus?

VAus

RE

RR

DR

DA

VEin

8

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Instrumentenverstärker

Aufgabe:

Bitte bestimmen Sie die Ausgangsspannung unter der Annahme idealer Operationsverstärker-Eigenschaften.

VAus

RM

RR

R0

RP

VAVX

VBVY

R1

RV

RV

88

8