Best Of Elektornik
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Allgemein:

OperationsverstärkerOperationsverstärker OPVs sind mehrstufig aufgebaute VerstärkerVerstärkerstufen eines OPVs, deren übertragungsverhalten weitgehend von der äußeren Beschaltung abhängt, während die Innenschaltung weitgehend als Blackbox betrachtet werden kann. Der Name stammt aus der analogen Rechentechnik (1950-1970), wo sie zur Nachbildung von Rechenoperationen eingesetzt wurden um Differenzialgleichungen zu lösen.

Ein OPV besitzt 2 Eingänge, den invertierenden und den nicht invertierenden. Er verstärkt die Differenzspannung zwischen diesen Eingängen, entsprechend ihrem Vorzeichen, mit seiner Leerlaufverstärkung (80-100dB). Die Verstärkung kann durch die Beschaltung von außen Beeinflusst werden, dabei unterscheidet man je nach verwendeten Bauelementen.

  • Lineare, frequenzunabhängige Schaltungen => Widerstände
  • Lineare, frequenzabhängige Schaltungen => Kondensatoren, (Spulen)
  • Nichtlineare Schaltungen => Dioden Transistoren

Kenngrößen:

Schaltungen:

Invertierender Verstäerker

Schaltung eines invertierenden Verstärkers

Schaltung

Die am OPV anliegende Spannung UD ist im Vergleich zu UE bzw. UA sehr klein und kann daher im Stationären Betrieb vernachlässigt werden. Daher liegt der Invertierende Eingang praktisch auf Masse Potential (Virtuelle Masse). Weiters kann der Eingangsruhestrom I- vernachlässigt werden.

Formel eines invertierenden Verstärkers

Nichtinvertierender Verstärker

Schaltung eines invertierenden Verstärkers

Schaltung

Vertauscht man die Eingänge des invertierenden Verstärkers, so erhält man den nichtinvertierenden Verstärker.

Formel eines nichtinvertierenden Verstärkers

Die Spannungsverstärkung ist positiv und stets größer 1.

Da der Eingang nur durch den OPV belastet wird ist der Eingangswiderstand sehr hoch (insbesondere bei OPV’s mit FET Eingangsstufen), deshalb wird der nichtinvertierende Verstärker vorwiegend für Eingangsstufe bei Leistungsschwachen Signalquellen (Piezowandler, Thermoelemente, …) verwendet.

Summierer

Schaltung eines Summierers

Schaltung

Erweitert man den Invertierenden Verstärker auf mehrere Eingänge so können die Eingangsspannungen addiert werden.

Formel eines Summierers

Der Summierverstärker beruht auf dem Prinzip des Invertierenden Verstärkers, mit zwei oder mehreren Eingängen. Die einlaufenden Ströme addieren sich und werden verstärkt.

Subtrahierer

Schaltung eines Subtrahierers

Schaltung

Wird bei einem nichtinvertierenden Verstärker R1 nicht auch Masse gehängt, sondern als Weiterer Eingang genutzt, so wird die zweite Eingangsspannung von der ersten subtrahiert.

Formel eines Subtrahierers

Instrumentenverstärker

Schaltung eines Instrumentenverstärkers

Schaltung

Der Instrumentenverstärker hat - im Gegensatz zum beschalteten Operationsverstärker - zwei hochohmige Eingänge (GΩ Bereich), sowie eine höhere Gleichtaktunterdrückung.

Formel eines Instrumentenverstärkers

Eine Offsetkorrektur lässt sich erreichen indem man den Widerstand (*) nicht auf Masse sondern auf eine variable Spannung legt.

Integrator

Schaltung eines Integrators

Schaltung

Beim realen OPV verursachen Offset Spannung und Eingangsruhestrom ein Davonlaufen der Integrationsspannung. D.h. Der Integrator würde sofort nach dem Einschalten in die Aussteuerung gehen.
Daher sind bei Integratoren immer OPV’s mit geringem Eingangsruhestrom (FET-Typen) und kleiner Offset Spannung zu verwenden. Außerdem sollte der Kondensatore möglichst groß gewählt werden. Von der Verwendung von Elkos bei Integratoren ist abzuraten, da diese Leckströme aufweisen.

Formel eines Integrators

UA(0) ... Integrationskonstante

Differenzierer

Schaltung eines Differenzierers

Schaltung

Durch die Phasendrehung des Eingangskondensators kommt es im Bereich der SchnittfrequenzBodediagramm Differenzierer zur Schwingneigung.
Daher zeigt die AnstiegsantwortBodediagramm Differenzierer ein Einschwingen. Daher baut man in der Praxis immer einen Dämpfungswiderstand in Serie zum Kondensator ein.

Formel eines Differenzierers

Tiefpassfilter

Schaltung eines Tiefpassfilters

Schaltung

Da die AusgangsspannungAusgangsspannung Tiefpassfilter ein verzögertes Ansteigen auf die Proportionalverstärkung zeigt bezeichnet man diese Schaltung auch als Proportionalglied mit Zeitverzögerung 1. Ordnung (PT1-Schaltung)

Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters

Verstärkung eines Tiefpassfilters

Hochpassfilter

Schaltung eines Hochpassfilters

Schaltung

Bei niedrigen FrequenzenBodeDiagramm Hochpassfilter sperrt der Kondensator C.

Da bei der SprungantwortSprungantwort Hochpassfilter das Ausgangssignal mit der Zeitkonstante T1 verzögert abklingt, bezeichnet man diese Schaltung auch als Differenzierer mit Zeitverzögerung erster Ordnung (DT1-Schaltung)

Grenzfrequenz eines Hochpassfilters

Verstärkung eines Hochpassfilters

Bandpassfilter

Schaltung eines Bandpassfilters

Schaltung

Der Bandpass ist eine Kombination aus Hoch- und Tiefpass

Das BodediagrammBodeDiagramm Bandpassfilter zeigt, dass die Schaltung sowohl bei tiefe, als auch hohe Frequenzen sperrt.

Grenzfrequenz eines Tiefpassfilters

Grenzfrequenzeines Hochpassfilters

Verstärkung eines Bandpassfilters

Weitere Infos über Verstärker finden Sie hier