Der operationsverstärker (opv) ist ein gleichspannungsgekoppelter verstärker mit eingangs- und ausgangsruhepotential null.
OPV-EIGENSCHAFTEN
INHALTSVERZEICHNIS
Thema Seite
1) Allgemeines 1
2) Aufbau 1
3) Idealer OPV 2
4) Realer OPV 2
5) Ausgangsaussteuerbarkeit 3
6) Kenndaten 4
6.1. Leerlaufverstärkung
6.2. Gleichtaktverstärkung
6.3.
Differenzverstärkung
6.4. Gleichtaktunterdrückung
6.5. Grenzfrequenz
6.6.
Transitfrequenz
6.7. Anstiegszeit
6.8. Slew Rate
6.9.
Großsignalbandbreite
6.10. Eingangsruhestrom
6.11. Differenzeingangsstrom
6.12.
Eingangsfehlspannung
6.13. Temperaturkoeffizient
7) Frequenzgang
8) Frequenzgang-Korrektur
9) Literaturverzeichnis
1) Allgemeines
Der Operationsverstärker (OPV) ist ein gleichspannungsgekoppelter Verstärker mit Eingangs- und Ausgangsruhepotential Null.
Im Gegensatz zu üblichen Verstärkern, deren Eigenschaften durch ihren inneren Aufbau bestimmt werden, kann der OPV durch äußere Beschaltung mit passiven Bauteilen an viele Anwendungsfälle angepaßt werden.
Den Namen hat der OPV durch die ursprüngliche Anwendung für die Durchführung von mathematischen Operationen (Addition, Integration, ..
.), wofür hochwertige Verstärker notwendig waren, erhalten.
Da sich der OPV in Größe und Preis nur kaum von einem Einzeltransistor unterscheiden, wurde der Einzeltransistor aus weiten Teilen der Schaltungstechnik verdrängt.
2) Aufbau
Jeder OPV hat einen 4-stufigen Aufbau:
*) Eingangsdifferenzverstärker
*) linearer Verstärker
*) DC-Verschiebung
*) Ausgangsverstärker
Blockschaltbild:
Prinzipschaltbild:
R1
Der Eingangsdifferenzverstärker wird von den Transistoren T1-T4 und den Widerständen R1 und R2 gebildet.
Wie bei jedem Differenzverstärker gibt es auch hier einen nicht-invertierenden und einen invertierenden Eingang.
Die nächste Stufe ist der lineare Verstärker, der von T5, T6 und R3 gebildet wird.
Als nächstes folgt die DC-Verschiebung, die notwendig ist, damit bei Eingangsspannung = 0 auch 0 am Ausgang liegt. Die Verschiebung erfolgt durch R4 und den 3 Dioden.
Die letzte Stufe ist der Ausgangsverstärker, der von T7 und T8 gebildet wird.
Für den OPV werden grundsätzlich 2 Betriebsspannungen benötigt, um sowohl in den positiven, als auch in den negativen Bereich aussteuern zu können.
Schaltsymbol eines OPV:
Die Betriebsspannungsanschlüsse werden im Schaltplan üblicherweise nicht eingezeichnet.
3) Idealer OPV
Kenndaten des idealen OPV’s:
*) Leerlaufverstärkung Vo=¥
*) Eingangswiderstand re=¥
*) Ausgangswiderstand ra=0
*) Eingangsströme Ie+, Ie-=0
*) Eingangsdifferenzspannung Ud=0
Der ideale OPV verstärkt nur die Eingangsdifferenzspannung Ud .
Die Verstärkung ist über den gesamten Frequenzbereich konstant und unendlich groß.
4) Realer OPV
Der reale OPV zeigt einige Abweichungen vom idealen OPV:
*) die Leerlaufverstärkung ist nicht unendlich hoch und sinkt mit der Frequenz
Als Folge ergibt sich, daß Ud nicht 0 wird.
*) es gibt einen endlichen Eingangswiderstand, der von Ud, T, Ug und w abhängt
*) die Eingangsdifferenzspannung Ud hängt von w, T, Ug, Ub ab
*) Ie+, Ie- sind ungleich 0 und hängen von w, T, Ug, Uaq ab
*) der Ausgangswiderstand ist ungleich 0 und hängt von Uaq und Ia ab
*) die Ausgangsquellenspannung Uaq hängt von w, T, Ub, Ud und Ug ab
*) zu großer Temperaturkoeffizient der Eingangsruhespannung
Dieser Effekt äußert sich als Nullpunktsfehler und ergibt eine temperaturabhängige Verschiebung der gesamten Transfercharakteristik.
Die Störempfindlichkeiten durch Ub, Ug und T werden Betriebsspannungsdurchgriff, Gleichtaktdurchgriff und Temperaturdurchgriff (Temperaturdrift) genannt.
Statt Betriebsspannungsdurchgriff und Gleichtaktdurchgriff werden üblicherweise die zugehörigen Kehrwerte, die Betriebsspannungsunterdrückung (Supply Voltage Rejection Ratio, SVRR) und die Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection Ratio, CMRR) angegeben.
Sowohl SVRR, als auch CMRR werden entweder in mV/V oder in dB angegeben.
5) Ausgangsausteuerbarkeit
Im Bereich Ua min < Ua < Ua max steigt die Ausgangsspannung linear mit der Eingangsdifferenzspannung an. Dieser Bereich heißt Ausgangsaussteuerbarkeit. Ist diese Grenze erreicht, geht der Ausgang in Sättigung und die Ausgangsspannung steigt auch bei weiterer Erhöhung der Eingangsdifferenzspannung nicht mehr an (d.h. der Verstärker wird übersteuert).
Die Aussteuergrenzen liegen üblicherweise ca.
3V unter der Betriebsspannung.
Bei dem häufigen Betriebsspannungswert von ±15V ergibt sich also eine Ausgangsaussteuerbarkeit von ca. ±12V.
Beim idealen OPV geht die Übertragungskennlinie durch den Nullpunkt. Beim realen OPV ist sie jedoch in den positiven oder negativen Bereich verschoben, wodurch sich bei UD=0 eine Ausgangsspannung Ua¹0 ergibt.
Um die Ausgangsspannung auf 0 zu bringen muß nun am Eingang eine der Verschiebung entsprechende Spannungsdifferenz angelegt werden (siehe Kenndaten, Eingangsfehlspannung)
6) Kenndaten
6.
1. Leerlaufverstärkung, Geradeausverstärkung (open loop gain) Vo, Vg
Ist die Spannungsverstärkung des nicht rückgekoppelten Verstärkers bei Frequenzen <<wg.
Diese Verstärkung ist sehr hoch (z.B. 85dB bei LM741) und kann als Signalverstärkung normalerweise nicht verwendet werden, weil 1) der OPV sofort in Sättigung geht (Komparator) und 2) der nutzbare Frequenzbereich zu klein wäre.
Bei Verwendung des OPV als Komparator schaltet der OPV nur zwischen 2 Zuständen (pos.
und neg. Sättigung, fasr Betriebsspannung).
Mit steigender Frequenz sinkt die Leerlaufverstärkung bei gleichzeitig zunehmender Phasendrehung, sodaß bei Verwendung als „normaler“ Verstärker eine Gegenkopplung notwendig ist, wodurch die Verstärkung zwar kleiner, die Bandbreite aber vergrößert wird.
6.2. Gleichtaktverstärkung Vgt, Ag
Ist die Verstärkung bei Ansteuerung der beiden verbundenen Differenzeingänge mit dem gleichen Signal (und gibt gleichzeitig die Abweichung vom Idealwert 0 an).
6.3. Differenzverstärkung Ad
Ist die Verstärkung nur für die Eingangsdifferenz
6.4. Gleichtaktunterdrückung CMRR
Ist das Verhältnis zwischen Gleichtaktverstärkung und Geradeausverstärkung
(z.B.
3*104 bei LM741)
6.5. Grenzfrequenz wg, fg
Ist die charakteristische Frequenz zwischen einem Bereich frequenzunabhängiger Verstärkung v(0) und einem Bereich mit definiert mit der Frequenz abnehmender Verstärkung v(w) (meist als 3dB Grenzfrequenz definiert), bei der v(w) um 3dB kleiner ist als v(0)
6.6 Transitfrequenz fT
Ist die Frequenz, bei der die Geradeausverstärkung auf 1 abgesunken ist („unity gain bandwith“)
(siehe Zeichnung oben)
6.7. Anstiegszeit (rise time) tr
Die Anstiegszeit ist das impulstechnische Äquivalent zur Grenzfrequenz.
Sie ist die Zeit, die vergeht, bis der Ausgang von 10% auf 90% der Amplitude, bei Ansteuerung mit hinreichend steilen Rechteckimpulsen, angestiegen ist.
Die Anstiegszeit steht in einem direkten Zusammenhang zur Grenzfrequenz, d.h. je niedriger die obere Grenzfrequenz ist, desto langsamer folgt der Ausgang dem Eingang.
Oft wird auch das Produkt von Anstiegszeit und Grenzfrequenz tr*fg angegeben, da dieser Ausdruck direkt den Zusammenhang zwischen den beiden Größen ersichtlich macht.
Man erkennt daraus, daß die Anstiegszeit indirekt proportional zur Grenzfrequenz ist.
Somit kann man also bei ausreichenden Angaben Grenzfrequenz bzw Anstiegszeit berechnen.
6.8. Slew Rate (Grenzspannungssteilheit) dUa/dt, S
Bei großen Amplituden ergibt sich am Ausgang ein linearer Anstieg des Signals mit einem Grenzwert der Steilheit.
Die Slew Rate kennzeichnet die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung und wird in V/ms angegeben.
6.
9. Großsignalbandbreite (full power response) fp
Darunter versteht man die Bandbreite, bei der bei Großsignalansteuerung noch keine Verzerrungen auftreten.
Die Aussteuerfähigkeit sinkt ab einer bestimmten Frequenz nach einer Hyperbelfunktion ab, da die Steigung im Nullpunkt immer steiler wird und daurch ab einem gewissen Wert durch die Slew Rate begrenzt wird.
Die Ausgangsspannung kann also nur so lange der Eingangsspannung unverzerrt folgen, solange ihre Tangente im Nulldurchgang flacher ist als die Slew Rate.
Es muß gelten:
6.10.
Eingangsruhestrom (input bias current) IB
Ist definiert als die Hälfte der Summe der beiden Eingangsströme bei verbundenen Eingängen.
Er liegt bei Standard-OPV’s bei ca 20-200nA, bei OPV’s mit FET-Eingang beträgt er nur einige pA.
Dieser Strom ist temperaturabhängig und so klein, daß er meistens vernachlässigt werden kann
6.11. Differenzeingangsstrom (offset current) Io
Ist die Differenz der beiden Ströme Ie+, Ie-(typisch Io = 0.1*IB)
Dieser Strom ensteht, da die beiden Eingänge nicht vollkommen ident sind.
6.12. Eingangsfehlspannung (input offset voltage) U0
Da beim realen OPV die Übertragungskennlinie UD/Ua gegenüber dem Nullpunkt verschoben ist, gibt es am Ausgang eine Spannung, obwohl die Eingangsdifferenz 0 ist.
Der nicht rückgekoppelte OPV geht in diesem Fall in die positive oder in die negative Sättigung.
Die Offset-Spannung ist nun die Spannung, die an die Eingänge angelegt werden muß, um am Ausgang 0 zu erhalten.
Die meisten OPV’s heben einen Anschluß, über den der Offset mit einem Trimmer auf 0 gestellt werden kann.
Die Eingangsfehlspannung liegt in der Größenordnung von einigen mV und ist temperaturabhängig.
6.13. Temperaturkoeffizient (thermal drift) TK
Der Temperaturkoeffizient gibt die Abhängigkeit einer Spannung oder eines Stromes von der Temperatur an und wird, je nachdem, auf welche Größe bezogen, in V/K oder nA/K angegeben.
7) Frequenzgang
Aufgrund der parasitären Kapazitäten und des mehrstufigen Aufbaus verhält sich ein OPV wie ein Tiefpaß höherer Ordnung.
Dadurch ergibt sich für den Frequenzgang der Differenzverstärkung folgender Verlauf:
Oberhalb von f1 bestimmt das theoretisch-interne RC-Glied mit der niedrigsten Grenzfrequenz den Frequenzgang.
Die Verstärkung fällt mit 20dB/Dekade und die Phasenverschiebung zwischen Ud und Ua beträgt -90°.
Oberhalb von f2 wirkt nun der zweite Tiefpaß, sodaß die Verstärkung jetzt um 40dB/Dekade und die Phasenverschiebung auf -180° abfällt.
Eine Phasenverschiebung von -180° bedeutet, daß P und N-Eingang die Rollen tauschen und dadurch aus einer Gegenkopplung eine Mitkopplung wird und Schwingneigung besteht.
Solche selbsständige Schwingungen können auch bei einer Frequenz auftreten, bei der die Phasenverschiebung in der Schleife 0 wird und gleichzeitig der Betrag der Schleifenverstärkung größer oder gleich 1 ist (kritische Frequenz).
Diese Schwingneigung kann jedoch durch eine geeignete Frequenzgang-Korrektur verhindert werden.
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