Technische Informatik I Vorlesung 4: Operationsverstärker Teil 2 Vorlesung 4: Operationsverstärker 24.01.2007 , V7 Themen: OP-Verstärkerprinzip Arbeitsgleichungen Anwendungen Quellen: Zum Teil aus den Unterlagen des Kurses „EECS 42 aus University of California, Berkeley)“, sowie MIT open courseware. Zum Teil aus „Technische Informatik II Skript, Prof. Ernst TU Braunschweig“

Verstärkerprinzip Drain ID Grundprinzip eines MOSFET Verstärkers: Der Drain-Stromfluss ID wird durch die Stärke des elektrischen Feldes am Gate gesteuert. ID ist also proportional zur Spannung am Gate UG. Verstärkung: Eine niedrige Spannung am Gate erzeugt einen hohen Strom über Drain und Source. E Gate E UG Source Transistor-Modell als mechanisches Wasserventil. Eine leichte Betätigung am „Gate“ lässt unter hohem Druck eine große Menge Wasser von Drain nach Source fließen. Gate Drain Source

Abstraktion einer Verstärkerschaltung Verstärker Grundschaltung abstrakte Darstellung eines Verstärkers UDD UDD A RD ID UEIN UAUS UAUS= A · UEIN UAUS weitere Abstraktion UEIN A UEIN UAUS = A · UEIN Verstärkungsfaktor= A = UAUS/UEIN

Operationsverstärker Anschlüsse Symbolbild verstärkt die Differenz zwischen U+ und U- +UB U+ + - UA U- + - U+ UA = A · ( U+ - U- ) U- -UB Ersatzschaltung Ein idealer Operationsverstärker hat zwei Eingänge ( negative und positive Eingangsspannung ) und einen Ausgang Eingangswiderstand Ri => ∞ Ausgangswiderstand Ro => 0 Verstärkungsfaktor A => ∞ + - U+ Ro U =U+–U- Ri UA U- A · U

Kennlinie des Operationsverstärkers Ersatzschaltung Symbolbild +12V + - U+ U+ + - U =U+ - U- UA A · U UA = A · U U- U- -12V UA Beispiel Eingangswiderstand Ri => ∞ Ausgangswiderstand Ro => 0 Verstärkungsfaktor A = 106 => ∞ Sättigung +12V 8V MH: Die Differenzspannung zwischen u+ und u- wird in den meisten Vorlesungen als uD bezeichnet 8μV UA = A · U = 106 · 8μV = 8V U lineare aktive Region A ist stark temperatur abhängig! -12V Sättigung

Operationsverstärker mit Rückkopplung (nicht invertierender Modus) Ersatzschaltung R1 R2 R1 R2 U- UA - + U- UE=U+ U- U =U+ - U- A · U UA=A (U+ - U-) UE=U+ Wie wird UA als Funktion von UE berechnet ? UA = A (U+ - U-) MH: Unterscheidet sich der Font auf dieser Folie absichtlich von den anderen? Rein=∞ Verstärkungsfaktor UA/UE ist unabhängig von A !

Operationsverstärker mit Rückkopplung (Puffer-Verstärker) UA - + UE=U+ R1= ∞, R2= 0 Puffer-Verstärker Wird Puffer-Verstärker genannt: Verstärkungsfaktor uA/uE = 1 Eingangswiderstand Rein=∞ Ausgangswiderstand RAusg= 0 Stromverstärkung = ∞ - + UA = UE MH: Die Bezeichnung Puffer-Verstärker ist mir unbekannt. Normalerweise nennt man die Verstärkerschaltung oben links einen Nichtinvertierer und unten rechts einen Impedanzwandler. Auch hier unterscheidet sich der Font für die Formeln von den bisherigen Folien. UE

Operationsverstärker mit Rückkopplung (Invertierer) Ersatzschaltung UE R1 R2 R1 R2 UE U- UA - + u- U+=0 U- U = U+ - U- A · U UA = A (U+ - U-) U+=0 Wie wird UA als Funktion von UE berechnet ? UA = A (U+ - U-) Rein= R1 Verstärkungsfaktor UA/UE ist unabhängig von A !

Beispiele: Operationsverstärker mit Rückkopplung UE R1= 1kΩ R2= 15kΩ UA - + Rein= R1= 1kΩ R1= 1kΩ R2= 9kΩ MH: Der Unterschied zwischen den beiden Schaltungen ist meiner Meinung nach für jemanden, der die Thematik zum ersten Mal hört, nur schwer zu erkennen. Ich halte die Darstellungsart, bei der der R1 senkrecht nach unten auf Masse gezeichnet wird für günstiger. Zumindest solte man in der Vorlesung darauf hinweisen, dass einmal der positive und einmal der negative Eingang mit der Eingangsspannung beschaltet werden. UA - + UE Rein= ∞

Beispiel: Operationsverstärker Intersil CA3130

Beispiel: Operationsverstärker Intersil CA3130