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21.11.011 Elektronisch messen, steuern, regeln Operationen-Verstärker 1 Eigenschaften Schaltungen verstehen Anwendungen.

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Präsentation zum Thema: "21.11.011 Elektronisch messen, steuern, regeln Operationen-Verstärker 1 Eigenschaften Schaltungen verstehen Anwendungen."—  Präsentation transkript:

1 21.11.011 Elektronisch messen, steuern, regeln Operationen-Verstärker 1 Eigenschaften Schaltungen verstehen Anwendungen

2 21.11.012 Verwendete Gesetze Gesetz von Ohm U = R I Knotenregel ( I ) = 0 Maschenregel ( U ) = 0 Ersatzquellen Überlagerungsprinzip Voraussetzung: Lineare Schaltungen

3 21.11.013 Woher der Name?

4 21.11.014 Wie sehen Operationen-Verstärker aus ?

5 21.11.015 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 Beim idealen OP gilt:

6 21.11.016 Virtuelle Erde (0V) Linearer Bereich von U A = -10V...0V...+10V Verstärkung > 100000 U_ < 10V/100000 U_ < 0.1mV U_ 0V Eingangsstrom vernachlässigbar klein

7 21.11.017 Invertierender Verstärker Ohmsches Gesetz I 1 = (U 1 - U_) / R 1 I a = (U a - U_) / R a Knotenregel am -Eingang: I 1 + I a = 0 Vereinfachung U_ = 0 Verstärkung V = U a / U 1 V = - R a / R 1

8 21.11.018 Beispiele invertierender Verstärker

9 21.11.019 Summierverstärker ( ) Ohmsches Gesetz I 1 = (U 1 - U_) / R 1 I 2 = (U 2 - U_) / R 2 I 3 = (U 3 - U_) / R 3 I a = (U a - U_) / R a Knotenregel I 1 + I 2 + I 3 + I a = 0 Vereinfachung U_ = 0 U a = - R a (U 1 / R 1 + U 2 / R 2 + U 3 / R 3 )

10 21.11.0110 Nicht invertierender Verstärker Spannungsteiler liefert Spannung am -Eingang U -Eingang = U a R 1 / (R a + R 1 ) Vergleich U -Eingang = U 1 + U Vereinfachung U = 0 U -Eingang = U 1 Verstärkung V = U a / U 1 V = U a / (U a R 1 / (R a + R 1 )) V = 1 + R a / R 1

11 21.11.0111 Spannungsfolger Spezialfall: Wird R a = 0 und/oder R 1 = gewählt, so folgt: V = 1 Die Schaltung kann wie unten vereinfacht werden. Die Schaltung wirkt als Impedanzwandler: Eingang hochohmig, Ausgang niederohmig

12 21.11.0112 Differenzen-Verstärker + Eingang: (Spannungsteiler) U +Eingang = U 2 R 3 / (R 2 + R 3 ) -Eingang: (Herleitung auf der nächsten Folie) U -Eingang = (U 1 R a + U a R 1 ) / (R 1 + R a ) Vereinfachung: U = 0 bei R a = v R 1; R 3 = v R 2 Vergleich: U +Eingang = U -Eingang U a = v (U 2 -U 1 ) ;

13 21.11.0113 Überlagerungsprinzip angewandt am Gegenkopplungspfad U -E = U -E1 + U -E2 = (U 1 R a / (R 1 + R a )) + (U a R 1 / (R 1 + R a ))

14 21.11.0114 Hochohmiger Differenzen-Verstärker Die beiden Spannungsfolger befreien den Differenzen- Verstärker vom Nachteil der relativ kleinen und unterschiedlich grossen Eingangs-Widerstände. Zusätzliches Rauschen durch die Spannungsfolger.

15 21.11.0115 Instrumenten-Verstärker 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 R 0 möglich.

16 21.11.0116 dB = dezi_Bel Logarithmisches Mass für Verstärkungen, Strom-, Spannungs- oder Leistungs- Verhältnisse. V [dB] = 20 log 10 (I 2 / I 1 ) V [dB] = 20 log 10 (U 2 /U 1 ) V [dB] = 10 log 10 (P 2 /P 1 ) dBm = absolut (bezogen auf 1mWatt) 0 dBm = 0.2236V bei 50

17 21.11.0117 Bode Diagramm eines RC-Gliedes Näherung Genau

18 21.11.0118 Verstärkung des offenen Verstärkers 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 OPs bei hohen Frequenzen so rasch wie mehrere RC- Glieder

19 21.11.0119 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.

20 21.11.0120 Gegengekoppelter Verstärker Verstärkung: offen V=1000 V=10 Ausgehend vom Frequenzverlauf des kompensierten OPs, manifestiert sich das Frequenzverhalten eines OPs mit Verstärkungen von 1000 oder von 10 wie nebenstehend. Dabei wird klar, dass das Produkt von Bandbreite und Verstärkung konstant bleibt. Bei V=1k: V B = 10 (3+3) Bei V=10: V B = 10 (5 +1)

21 21.11.0121 Strom-Spannungs-Wandler Knotenregel: I 1 + I a = 0 Ohmsches Gesetz I a = (U a - U_) / R a Vereinfachung: U_ = 0 Resultat: U a = - I 1 R a

22 21.11.0122 Lichtintensität-Spannungs-Wandler U a = - R I photo

23 21.11.0123 PIN Photodiode (z.B. BPW34) 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.

24 21.11.0124 4-Quadranten Photodiode

25 21.11.0125 4-Quadranten Photodiode als Sensor im Kraftmikroskop

26 21.11.0126

27 21.11.0127 Sensoren und Vorverstärker beim Kraftmikroskop 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.


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