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110. Operationsverstärker
Analoge ICs:
• Audio-Verstärker (Leistungsverstärker)• HF-Schaltkreise, Oszillatoren• Stromversorgungen, Spannungsregler• Operationsverstärker
Digitale ICs:
• Gatter (AND, NAND, OR, NOR, XOR), Zähler• Speicher• Prozessoren, Mikrocontroller
10. Operationsverstärker
Operationsverstärker sind analoge integrierte Schaltungen (ICs). Sie werden
in vielen technischen Bereichen eingesetzt. Mit Operationsverstärkern
können z. B. Sensorsignale verstärkt und el. Regler aufgebaut werden.
210. Operationsverstärker
Beispiele für integrierte Schaltungen
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Schaltsymbol, Anschlüsse
10. Operationsverstärker
4
Operationsverstärker LM741, interne Schaltung
10. Operationsverstärker
5
Übertragungskennlinie
10. Operationsverstärker
Die Differenz der beiden Eingangsspannungen erscheint verstärkt am Ausgang. Diese „Leerlaufverstärkung“ ist sehr hoch (Verstär-kungsfaktor ca. 104 bis 105):
UA = UD · v0
Die Leerlaufverstärkung v0wird oft logarithmisch in dB(= 20·log v0) angegeben.
0,05 0,10 0,15 UD / mV-0,15 -0,10 -0,05
5V
10V
15V
-15V
-10V
-5V
UA
Übersteuerung(min./max. Ausgangsspannung ist begrenzt!)
linearer Bereich
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Gegenkopplung, Mitkopplung
10. Operationsverstärker
Wenn an die beiden Eingänge des Operationsverstärkers unter-schiedliche Spannungen angelegt werden, führt die hohe Leerlauf-verstärkung dazu, dass am Ausgang ständig die maximale bzw. minimale Ausgangsspannung ansteht (der OPV ist übersteuert).
In der Regel ist daher eine Außenbeschaltung des Operationsver-stärkers notwendig, ein sog. Rückkopplungsnetzwerk, wodurch ein Teil der Ausgangsspannung auf einen der Eingänge zurückgeführt wird.
Wird die Ausgangsspannung auf den invertierenden („negativen“) Eingang zurückgeführt, spricht man von Gegenkopplung, sonst von Mitkopplung.
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Beispiel: Datenblatt LF411
10. Operationsverstärker
8
RL
Spannungskomparator
10. Operationsverstärker
U1 U2
Liegen an den Eingängen des OPV unterschiedliche Spannungen, führt die hohe Leerlaufverstärkung dazu, dass am Ausgang ständig die max. oder min. Ausgangsspannung ansteht (OPV ist übersteuert). Dies kann dazu genutzt werden, Spannungen zu vergleichen („Komparator“).
UD
9
Nichtinvertierender Verstärker
10. Operationsverstärker
UD ≈ 0
UE UA
R1
R2
RL
10
Impedanzwandler
10. Operationsverstärker
UE RL
UD ≈ 0
UA
11
Invertierender Verstärker
10. Operationsverstärker
UD≈0
UE UA
R1
R2
RL
12
Addierverstärker (invertierend)
10. Operationsverstärker
UD≈0
UE2 UA
R3
R2
R1
UE1
13
Differenzverstärker
10. Operationsverstärker
UD≈0
UE2
UA
R1
R2
R4
UE1 R3
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Differenzverstärker (Anwendungsbeispiel)
10. Operationsverstärker
UE2
UA
100 kΩ
UE1
10 kΩ
10 kΩ
100 kΩ
R4R2
R3R1
UB
B
21
2E1 U
RR
RU
B
43
4E2 U
RR
RU
Differenzverstärker mit Brückenschaltung:z. B. zur Temperatur-, Strömungsmessung
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Integrator
10. Operationsverstärker
UD≈0
UE UA
R
C
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Komparator mit Hysterese („Schmitt-Trigger“)
10. Operationsverstärker
UE UA
R2
R1
UP
UD
UE
UA
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Übungsaufgabe 10.1 (a)
10. Operationsverstärker
(SS 2010 – FA, Aufgabe 2)
Auf der folgenden Seite ist ein PI-Regler aus drei idealen Operations-verstärkern abgebildet. Die Reaktion des Reglers auf einen Sprung der Eingangsspannung uE soll ermittelt werden („Sprungantwort“).
Alle Operationsverstärker haben eine maximale Ausgangsspannung von ±10 Volt. Zum Zeitpunkt t = 0 ist der Kondensator nicht geladen.
i. Geben Sie die genaue Funktion der Verstärkerstufen OP1, OP2und OP3 an. Welche Zusammenhänge bestehen zwischen denEin- und Ausgangsspannungen bei jeder der drei Teilschaltungen?
ii. Zeichnen Sie die zeitlichen Verläufe von u1, u2 und uA in das vorbereitete Diagramm.
iii. Zu welchem Zeitpunkt t1 erreicht die Ausgangsspannung uA den maximal möglichen Wert von 10 Volt?
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Übungsaufgabe 10.1 (b)
10. Operationsverstärker
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Übungsaufgabe 10.1 (c)
10. Operationsverstärker
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