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WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker 1 1.4 Operationsverstärker OPV sind Analogschaltkreise.

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Präsentation zum Thema: "WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker 1 1.4 Operationsverstärker OPV sind Analogschaltkreise."—  Präsentation transkript:

1 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker Operationsverstärker OPV sind Analogschaltkreise. Analogschaltkreise verarbeiten analoge elektrische Signale. Es können drei Schaltkreisarten unterschieden werden. 1.Universalschaltkreise für Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, analoge Datenverarbeitung und Konsumgütertechnik, deren wichtigster Vertreter der Operationsverstärker (OPV) ist. 2. IC zur Stabilisierung von Versorgungsspannungen (Gerätetechnik) 3. Spezialschaltkreise z.B. zur Kamerasteuerung, Unterhaltungselektronik, Automatisierungstechnik usw. Im folgenden beschränken wir uns wegen seiner Bedeutung auf den Operationsverstärker (OPV). OPV sind mehrstufige hoch verstärkende Gleichspannungsverstärker hoher Bandbreite mit einem Differenzeingang und einem Ausgang. Mit ihnen lassen sich Schaltungen aufbauen, deren Eigenschaften praktisch nur von der äußeren Beschaltung abhängen und nicht vom OPV selbst. Realisierbare Funktionen: Vorzeichenumkehr Addition, Subtraktion Multiplikation, Division Logarithmieren Potenzieren, Radizieren Differenzieren, Integrieren Verstärken (invertierend und nichtinvertierend) Konstantspannungs- und Konstantstromquelle Komparator Filter und Oszillator

2 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker 2 E 1 : invertierender Eingang E 2 : nicht invertierender Eingang -+-+ E1E1 E2E2 A A : Ausgang Symbol: OPV werden mit symmetrischer Betriebsspannung betrieben Der Mittelpunkt der Spannungsversorgung bildet die Masse. Dadurch kann die Ausgangsspannung U a des OPV positiv oder negativ sein. T1T1 T2T2 Wenn T 1 und T 2 nicht angesteuert werden, dann beträgt die Spannung am Ausgang 0V. Wenn T 1 angesteuert wird, verringert er seinen Widerstand, der Spannungsabfall U CE1 wird geringer. Die Ausgangsspannung U a wird positiv. Wenn T 2 angesteuert wird, verringert er seinen Widerstand, der Spannungsabfall U CE2 wird geringer. Die Ausgangsspannung U a wird negativ. V UaUa

3 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker 3 OPV haben nahezu ideale Eigenschaften: 1. Spannungsverstärkung im Leerlaufverstärkung v u 2. Eingangswiderstand R E (Widerstand zwischen den beiden Eingängen) 3. aus R E folgt I E 0 4. Ausgangswiderstand R A 0 Das Verhalten von OPV wird durch ihre Übertragungs- oder Transferkennlinie deutlich. Übertragungskennlinien stellen den Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen von Systemen her. +U e -U e -U a +U a Transverkennlinie des idealen OPV +UB -UB Betriebsspannung Transverkennlinie des realen OPV

4 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker 4 Anwendung des OPV als invertierender Verstärker Die Stromversorgung wird bei Schaltungen mit ICs nicht mitgezeichnet R1R1 R2R2 UeUe UaUa Spannungsverstärkung v u Bei jeder Änderung der Eingangsspannung U e stellt sich durch die Rückkopplung mit R 2 die Ausgangsspannung U a so ein, dass die Differenzspannung U D zwischen beiden Eingängen 0 wird. UDUD Wirkungsweise: Wenn U e steigt, erhöht sich auch U D. Da der nicht invertierende Eingang angesteuert wird, muss sich die Ausgangsspannung U a verringern. R1R1 UeUe U E- UaUa R2R2 OPV Über R 2 wird die Verringerung der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang des OPV zurückgekoppelt. Dadurch verringert sich die U D. Der Vorgang stoppt, wenn U D = 0V ist. UDUD U D OPV in Verstärkerbetrieb Das Minuszeichen kennzeichnet die invertierende Wirkung des OPV.

5 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker 5 Anwendung des OPV als nicht invertierender Verstärker Spannungsverstärkung v u Bei jeder Änderung der Eingangsspannung U e stellt sich durch die Rückkopplung mit R 2 die Ausgangsspannung U a so ein, dass die Differenzspannung U D zwischen beiden Eingängen 0 wird. Wirkungsweise: Wenn U e steigt, erhöht sich auch U E+. Da der nicht invertierende Eingang angesteuert wird, muss sich die Ausgangsspannung U a vergrößern. R1R1 UeUe U E+ UaUa U E- R2R2 OPV Über R 2 wird die Vergrößerung der Ausgangsspannung auf den invertierenden Eingang des OPV zurückgekoppelt. Dadurch verringert sich die U D. Der Vorgang stoppt, wenn U D = 0V ist R1R1 R2R2 UeUe UaUa UDUD U D 0 Folglich vergrößert sich auch die Spannung am invertierenden Eingang.

6 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker RC- Glieder mit OPV Aktiver Hoch- und Tiefpass -+-+ UeUe UaUa -+-+ UeUe UaUa Hoch- und Tiefpässe sind Filterschaltungen mit RC- Gliedern. Verknüpft man die RC – Glieder mit OPVs, dann erhält man aktive, d.h. verstärkende Filter. TiefpassHochpass R2R2 R2R2 R1R1 R1R1 C C Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand X C des Kondensators. Dadurch wird gesamte Rückkopplungs- widerstand aus R 2 IIX C geringer. Wegen Die Verstärkung wird mit wachsender Frequenz geringer! Dadurch wird gesamte Einganngs- widerstand aus R 1 IIX C geringer. Wegen Die Verstärkung wird mit wachsender Frequenz größer!

7 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein Informationstechnik– 1.4 Operationsverstärker UeUe UaUa -+-+ UeUe UaUa TiefpassHochpass R2R2 R2R2 R1R1 R1R1 C C Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand X C des Kondensators. Dadurch wird gesamte Rückkopplungs- widerstand Z aus R 2 paralell X C geringer. Wegen wird die Verstärkung geringer. fXCXC vUvU UaUa Mit steigender Frequenz verringert sich der Blindwiderstand X C des Kondensators. Dadurch wird gesamte Eingangswiderstand Z aus R 1 in Reihe X C geringer. Wegen wird die Verstärkung größer. f XCXC vUvU UaUa


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