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21.11.01 1
Elektronisch
messen, steuern, regeln
Operationen-Verstärker 1Eigenschaften
Schaltungen verstehen
Anwendungen
21.11.01 2
Verwendete Gesetze
• Gesetz von Ohm U = R I
• Knotenregel ( I ) = 0
• Maschenregel ( U ) = 0
• Ersatzquellen
• Überlagerungsprinzip
• Voraussetzung: Lineare Schaltungen
21.11.01 3
Woher der Name?
ddt
mathematischeOperationen+
21.11.01 4
Wie sehen Operationen-Verstärker aus ?
21.11.01 5
Symbol / Eigenschaften• Ausgangsspannungsbereich 10V
• Die Ausgangsimpedanz ist 0 Ohm
• bipolare Speisung: + 15V und -15V
• Die Eingänge sind hochohmig, sie brauchen keinen Strom
• Die Ausgangsspannung ergibt sich aus der Differenz zwischen +Eingang und -Eingang durch Multiplikation um die Verstärkung.
• Die Verstärkung ist sehr gross (>100000), also nahezu
• Ein Differenz von 0V am Eingang liefert auch 0V am Ausgang, sonst „Offset Abgleich“ einstellen auf 0V
• + und - beziehen sich auf die Richtung der Ausgangsspannung
+15V
Ausgang
-15V OffsetAbgleich
+Eingang
-Eingang
Beim idealen OP gilt:
21.11.01 6
Virtuelle Erde (0V)
• Linearer Bereich von
UA = -10V...0V...+10V
• Verstärkung > 100‘000
U_ < 10V/100‘000
U_ < 0.1mV
U_ 0V
• Eingangsstrom vernachlässigbar klein
InveInvertierenderVerstärkerrtierenderVerstärkerInvertierender VerstärkerU1
Ia
I1
U_
Ra
R1
Ua
VirtuelleErde (0V)
21.11.01 7
Invertierender Verstärker
Ohmsches Gesetz
I1 = (U1 - U_) / R1
Ia = (Ua - U_) / Ra
Knotenregel am -Eingang:
I1 + Ia = 0
Vereinfachung U_ = 0
Verstärkung V = Ua / U1
V = - Ra / R1
U1
Ia
I1
U_
Ra
R1
Ua
21.11.01 8
Beispiele invertierender Verstärker
+
_
100k
V = -1
100k
+
_
100k
V = -1 bis -11
10k 10k
+
_
250k
V = -25
10k
+
_
100k
V = -10
10k
21.11.01 9
Summierverstärker ()
Ohmsches Gesetz
I1 = (U1 - U_) / R1
I2 = (U2 - U_) / R2
I3 = (U3 - U_) / R3
Ia = (Ua - U_) / Ra
Knotenregel I1 + I2 + I3 + Ia = 0
Vereinfachung U_ = 0
Ua = - Ra (U1 / R1 + U2 / R2 + U3 / R3)
U1
Ia
I1
U_
Ra
R1
Ua
R2
R3
I2
I3
U2
U3
21.11.01 10
Nicht invertierender Verstärker
Spannungsteiler liefert
Spannung am -Eingang
U-Eingang = Ua R1 / (Ra + R1)
Vergleich U-Eingang = U1 + U
Vereinfachung U = 0
U-Eingang = U1
Verstärkung V = Ua / U1
V = Ua / (Ua R1 / (Ra + R1))
V = 1 + Ra / R1
U1
IaIa
U
RaR1
Ua
U-Eingang
21.11.01 11
Spannungsfolger
Spezialfall:
Wird Ra = 0 und/oder R1 =
gewählt, so folgt: V = 1
Die Schaltung kann wie unten
vereinfacht werden.
Die Schaltung wirkt als
Impedanzwandler: Eingang hochohmig,
Ausgang niederohmig
U1
R1 =
U
Ra = 0
Ua
Ua
U1
21.11.01 12
Differenzen-Verstärker
+ Eingang:
(Spannungsteiler)
U+Eingang = U2 R3 / (R2 + R3)
-Eingang:
(Herleitung auf der nächsten Folie)
U-Eingang = (U1 Ra + Ua R1) / (R1 + Ra)
Vereinfachung: U = 0
bei Ra = v R1; R3 = v R2
Vergleich: U+Eingang = U-Eingang
Ua = v (U2 -U1) ;
U1
IaI1
U
RaR1
Ua
R2
R3
I2
I3
U2
U3
21.11.01 13
Überlagerungsprinzip angewandt am
Gegenkopplungspfad
RaR1
Ausgangslage
UaU-Ea = ?
U1 UaU-E = ?
U1U-E1 = ?
R1
R1
Ra
Ra
Quelle Ua eliminiert
Quelle U1 eliminiert
U1
IaI1
U
RaR1
Ua
R2
R3
I2
I3
U2
U3
U-E = U-E1 + U-E2 = (U1 Ra / (R1 + Ra)) + (Ua R1 / (R1 + Ra))
21.11.01 14
Hochohmiger Differenzen-Verstärker
U1
UaR2
R3
U2
R3
R2
Die beiden Spannungsfolger befreien den Differenzen-Verstärker vom Nachteil der relativ kleinen und unterschiedlich grossen Eingangs-Widerstände.
Zusätzliches Rauschen durch die Spannungsfolger.
21.11.01 15
Instrumenten-Verstärker
U1
R0Ua
R2
R3
U2
R1
R1
R3
R2
Diese Schaltung erlaubt die rauscharme Verstärkung in der Vorstufe. Das Rauschen des Differenzen Verstärkers geht nur noch abgeschwächt ein.
Eine Einstellung der Verstärkung ist mit nur einem Widerstand R0
möglich.
21.11.01 16
dB = dezi_Bel
• Logarithmisches Mass für
Verstärkungen, Strom-,
Spannungs- oder Leistungs-
Verhältnisse.
• V [dB] = 20 log10 (I2 / I1)
• V [dB] = 20 log10 (U2/U1)
• V [dB] = 10 log10 (P2/P1)
Merkwerte für Spannungenentspricht dem Faktor
0 dB 13 dB sqrt(2) = 1.414..6 dB 2
20 dB 10
dBm = absolut (bezogen auf 1mWatt)
0 dBm = 0.2236V bei 50
21.11.01 17
Bode Diagramm eines RC-Gliedes
-40
-30
-20
-10
0
Am
plit
ude
[dB
] .
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0.01 0.1 1 10 100
Frequenz
Pha
se
[gra
d]
.
Näherung
Genau
RUE
1/jC
UA
arctan1
12
1
1
Phase
U
U
RC
UU
E
A
CjR
CjEA
21.11.01 18
Verstärkung des offenen Verstärkers
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
[dB
]
-360
-270
-180
-90
0
1.E
+00
1.E
+01
1.E
+02
1.E
+03
1.E
+04
1.E
+05
1.E
+06
1.E
+07
1.E
+08
Frequenz [Hz]
[gra
d]
Operationen Verstärker sind auch wenn sie als integrierte Schaltung realisiert werden, aus vielen Transistoren zusammengesetzt.
Jeder Transistor wirkt bei hohen Frequenzen wie ein RC-Tiefpass.
Deshalb sinkt der Frequenzgang des OP‘s bei hohen Frequenzen so rasch wie mehrere RC-Glieder
21.11.01 19
Frequenzkompensation
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
[dB
]
-450
-360
-270
-180
-90
0
1.E
+00
1.E
+01
1.E
+02
1.E
+03
1.E
+04
1.E
+05
1.E
+06
1.E
+07
1.E
+08
Frequenz [Hz]
[gra
d]
Frequenzkompensation
ohne mit
Damit der Operationen Verstärker mit jeder gewünschten Verstärkung stabil betrieben werden kann, darf, solange die Verstärkung > 1 (>0dB) ist, die Phasen-Verschiebung von 120° nicht überschreiten.
Die Reserve zum Punkt der Mitkopplung beträgt dann im Minimum 60°.
Mit einer Limitierung des Frequenz-Verhaltens durch eine Kompensation des Verlaufs, kann dieses Kriterium für die Stabilität erfüllt werden.
21.11.01 20
Gegengekoppelter Verstärker
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
[dB
] .
-360
-270
-180
-90
0
1.E
+00
1.E
+01
1.E
+02
1.E
+03
1.E
+04
1.E
+05
1.E
+06
1.E
+07
Frequenz [Hz]
[gra
d] .
Verstärkung:
offen
V=1000
V=10
Ausgehend vom Frequenzverlauf des kompensierten OP‘s, manifestiert sich das Frequenzverhalten eines OP‘s mit Verstärkungen von 1000 oder von 10 wie nebenstehend.
Dabei wird klar, dass das Produkt von Bandbreite und Verstärkung konstant bleibt.
Bei V=1k: VB = 10(3+3)
Bei V=10: VB = 10(5 +1)
21.11.01 21
Strom-Spannungs-Wandler
Knotenregel:
I1 + Ia = 0
Ohmsches Gesetz
Ia = (Ua - U_) / Ra
Vereinfachung: U_ = 0
Resultat:
Ua = - I1 Ra
Ia
I1
U_
Ra
zu messenderStrom
Ua
21.11.01 22
Lichtintensität-Spannungs-Wandler
Ua = - R IphotoPIN Photodiode
Iphoto+U
R
Diode inSperrrichtungvorgespannt
Ua
21.11.01 23
PIN Photodiode (z.B. BPW34)
P dotiertI intrinsicN dotiert
Licht erzeutElektron-LochPaare
SiliziumPINPhotodiode
Die Photonen erzeugen im Silizium paarweise Elektronen und Löcher.
Wird an der Diode eine Spannung in Sperrrichtung angelegt, werden die Ladungsträger separiert.
Die nicht dotierte, intrinsische Schicht und die Sperrspannung helfen die Dicke der aktiven Schicht, und damit die Empfindlichkeit, zu vergrössern.
Eine dickere Schicht bewirkt kleinere Kapazitäten, der Sensor wird schneller.
21.11.01 24
4-Quadranten Photodiode
21.11.01 25
4-Quadranten Photodiode als Sensor im Kraftmikroskop
21.11.01 26
21.11.01 27
Sensoren und Vorverstärkerbeim Kraftmikroskop
Ia
I1
Ra
zu messenderStrom
Ua
+15V
A
Laserstrahl
UA+UB - (UC+UD)
-UB
-UC
-UD
-UA
B
C
D
4-Quadrat-Photodiode
Durch Bildung von Summe und Differenz der einzelnen Signale, kann die Bewegung des Laserstrahls in der vertikalen Richtung, aber auch in der horizontalen Richtung gemessen werden.