Operationsverstärker: Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen

355 Pages·2013·18.603 MB·German

by  Joachim Federau (auth.)

Operationsverstärker
Joachim Federau
Operationsverstärker
Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten
Grundschaltungen
6., erweiterte und überarbeitete Auflage
Mit 587 Abbildungen, 14 Tabellen, Beispielen,
Übungen und Aufgaben mit Lösungen
OStR Joachim Federau
Beckdorf-Nindorf
Deutschland
ISBN 978-3-8348-1643-6 ISBN 978-3-8348-2146-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-2146-1
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V

Vorwort zur sechsten Auflage
Die überaus positiven Rezensionen zu diesem Buch haben eine Neuauflage sinnvoll erscheinen las-
sen. Die Inhalte sind exemplarisch und deshalb wenig geändert worden. Die aktuelle technische Ge-
genwärtigkeit dieses Buches zeigt sich in einer angemessenen Beschreibung von PC-
Schaltungssimulations-Programmen, der Anwendung moderner Rail-to-Rail-OPs und der Aufführung
informativer Internetadressen zum Thema.

Zielgruppen für dieses Buch sind insbesondere Autodidakten, Auszubildende in anspruchsvollen In-
dustrieelektronikerberufen, Meister, Techniker, Ausbilder und Unterrichtende. Es ist als Einstieg in
das Fachhochschulstudium im Bereich Elektronik ebenfalls gut geeignet. Der Leser soll für die qualita-
tive und quantitative Abschätzung von Elektronikschaltungen sensibilisiert werden. Es ist das Ziel des
Autors, den Leser in die Lage zu versetzen, Schaltungen auf Funktion, Berechenbarkeit, Änderungen
und Verbesserungen beurteilen zu können.
Die Konzeption des Buches stützt sich auf folgende Punkte:
(cid:2) Die ersten drei Kapitel eröffnen das Grundverständnis für OP-Schaltungen hinsichtlich Funk-
tion und Berechenbarkeit. Die nächsten Kapitel stellen Vertiefungsübungen dar. Sie können
in unabhängiger Reihenfolge erarbeitet werden.
(cid:2) Zu jedem Abschnitt bestehen durchgerechnete Beispiele. Die nachfolgenden Aufgabenstel-
lungen können ohne Hilfestellungen weiterer Personen nachvollzogen werden. Hierzu ist ein
ausführlicher Lösungsanteil vorgesehen.
(cid:2) Für Unterrichtende sind die Lerninhalte und Vertiefungsübungen eine sehr gute Anregung für
die Erstellung eigener neuer Aufgaben.
(cid:2) Es sind nur verständnisfördernde Transferleistungen der fundamentalen Elektrotechnik wie
Ohmsches und Kirchhoffsches Gesetz, Potenzialbetrachtungen und ähnliche Elementar-
kenntnisse notwendig.
(cid:2) Durch den Verständniserwerb soll die Entwicklung eigener Schaltungen erleichtert werden.
Schaltungsprinzipien sollen generalisiert werden können.
(cid:2) Erworbenes Wissen kann durch Netzwerkanalyseprogramme kontrolliert und verifiziert wer-
den. Eine Kurzbeschreibung zu einem attraktiven professionellen Analyseprogramm liegt vor.
Dieses Programm der Firma Linear Technology kann kostenlos aus dem Internet bezogen
werden.

Damit eignet sich dieses Buch für die Begleitung von Lehrveranstaltungen und auch ganz besonders
für das Selbststudium.

Nindorf, im September 2012 Joachim Federau
V I
Was man noch über dieses Buch wissen sollte
Darstellung der Schaltungen:
Die Schaltungsdarstellungen variieren innerhalb anerkannter Normenmuster.
So werden in Schaltungen für Bauteile folgende
Bezeichnungen verwendet:
2k2 oder 2,2k entspricht 2,2 kΩ
1M2 oder 1,2M entspricht 1,2 MΩ
4R7 oder 4,7R entspricht 4,7 Ω usw.
Gleiches gilt für die Bezeichnung von Kondensatoren.
Die Bezeichnung von 2,2 kΩ oder 10 Ω ist in Schaltungsdarstellungen nicht so üblich, während in
Textseiten die Bezeichnung 2k2 für 2,2 kΩ grundsätzlich vermieden worden ist. Im Text und insbe-
sondere in Berechnungsaufgaben sind die Größen stets einheitengerecht mitgeführt.

Die Leitungsführung und die entsprechenden
Verbindungen sind nebenstehend
dargestellt:

Stumpf aufeinanderstoßende Leitungen sind immer leitende Verbindungen. Ein zusätzlich eingetra-
gener Knotenpunkt erhöht möglicherweise die Lesbarkeit einer Schaltung. Er ist aber nicht notwen-
dig. Kreuzende Leitungen ohne Knotenpunkte sind nie miteinander verbunden.

Einige fachdienliche Hinweise:
Der Autor verwendet für den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers das Wort
„+Input” und für den invertierenden Eingang den Begriff „-Input”.
Grundsätzlich sind alle Spannungen und Ströme mit richtungsorientierten Spannungs- und Strom-
pfeilen versehen. Potenziale besitzen üblicherweise keine Spannungspfeile. Es sind Spannungs-
angaben, die sich auf das Bezugspotenzial von 0 V beziehen.
Spannungs- und Strombezeichnungen entsprechen der üblichen Norm. Großbuchstaben sind für
Gleichspannungs- und Effektivwerte verwendet worden. Sinusgrößen sind in der komplexen Rech-
nung entsprechend der Norm mit einem Unterstrich versehen. Kleinbuchstaben werden für Augen-
blickswerte verwendet.
Die Bezeichnung U bedeutet Spitze-zu-Spitze-Wert einer Spannung.
ss
Folgende Schreibweisen werden angewendet: U = 5 V oder U = 5 V .
ss ss
Die Einheitenbezeichnungen V für den Spitze-zu-Spitze-Wert oder V für den Effektivwert werden
ss eff
aus Übersichtsgründen ebenfalls benutzt, auch wenn sie nicht unbedingt normgerecht sind.
Das Multiplikationszeichen wird als „ד und die Parallelschaltung von Widerständen mit „||“
dargestellt. Wert und Einheit einer physikalischen Größe werden nach den Rechtschreib-
regeln getrennt geschrieben wie z.B. 1,2 mA. In komplexeren Formeln wird hier aber auch
noch der Übersicht wegen die tradierte zusammengeführte Schreibweise wie 1,2mA, 230V,
25mH u.a. verwendet.
VII
Inhaltsverzeichnis

1 Operationsverstärker: Kenndaten und Funktion ................................................................ 1
1.1 Lernziele ........................................................................................................................ 1
1.2 Schaltsymbol ................................................................................................................. 1
1.3 Kenndaten .................................................................................................................... 1
1.3.1 Kenndaten des idealen Operationsverstärkers .................................................. 1
1.3.2 Kenndaten typischer Operationsverstärker ....................................................... 1
1.4 Funktionsbeschreibung ................................................................................................. 1
1.5 Übertragungskennlinie ................................................................................................. 2
1.6 Schaltsymbol, Aufbau und Kenndaten des 4fach-Operationsverstärkers LM324 ......... 3
1.7 Beispiele ........................................................................................................................ 3
1.8 Übung und Vertiefung .................................................................................................. 5
2 OP-Grundschaltungen mit Gegenkopplung ........................................................................ 6
2.1 Der invertierende Verstärker ....................................................................................... 6
2.1.1 Lernziele ............................................................................................................. 6
2.1.2 Eigenschaften von beschalteten Verstärkern .................................................... 6
2.1.3 Die Funktionsweise des invertierenden Verstärkers .......................................... 6
2.1.4 Beispiele zum invertierenden Verstärker ........................................................... 9
2.1.5 Übung und Vertiefung zum invertierenden Verstärker ..................................... 11
2.2 Die Addierschaltung ..................................................................................................... 13
2.2.1 Lernziele .............................................................................................................. 13
2.2.2 Die Funktionsweise der Addierschaltung ........................................................... 13
2.2.3 Beispiele zum Addierer ....................................................................................... 14
2.2.4 Übungen und Vertiefung zum invertierenden Verstärker und Addierer .......... 15
2.3 Die Konstantstromquelle ............................................................................................. 18
2.3.1 Lernziele .............................................................................................................. 18
2.3.2 Die Funktionsweise der Konstantstromquelle ................................................... 18
2.3.3 Beispiele zur Konstantstromquelle .................................................................... 19
2.3.4 Übungen und Vertiefung zur Konstantstromquelle ........................................... 22
2.4 Der Differenzverstärker ................................................................................................ 24
2.4.1 Lernziele ............................................................................................................. 24
2.4.2 Die Funktionsweise des Differenzverstärkers .................................................... 24
2.4.3 Beispiele ............................................................................................................. 26
2.4.4 Übung und Vertiefung ........................................................................................ 28
2.5 Der integrierende Verstärker ....................................................................................... 31
2.5.1 Lernziele ............................................................................................................. 31
2.5.2 Grundschaltung des integrierenden Verstärkers ............................................... 31
2.5.3 Strom- und Spannungsverläufe am Kondensator .............................................. 31
2.5.4 Rechteckförmige Spannung am Integrator ........................................................ 32
2.5.5 Beispiel zum Integrator mit Konstantstromeinspeisung .................................... 33
2.5.6 Übungen und Vertiefung zum Integrator mit Konstantstromaufladung
des Kondensators ............................................................................................... 34
2.5.7 Sinusförmige Spannung am Integrator ............................................................... 35
2.5.8 Darstellung des Frequenzganges im Bode-Diagramm ........................................ 36
V III
2.5.9 Beispiel zum Integrator an Sinusspannung ........................................................ 38
2.5.10 Übungen und Vertiefung zum Integrierer .......................................................... 38
2.6 Der Differenzierer ......................................................................................................... 40
2.6.1 Lernziele ............................................................................................................. 40
2.6.2 Die Funktionsweise des Differenzierers ............................................................. 40
2.6.3 Dreieckförmige Spannung am Differenzierer ..................................................... 40
2.6.4 Sinusförmige Spannung am Differenzierer ......................................................... 41
2.6.5 Beispiel zum Differenzierer an Sinusspannung .................................................. 42
2.6.6 Übung und Vertiefung zum Differenzierer ......................................................... 42
2.7 Der nichtinvertierende Verstärker und der Impedanzwandler .................................... 44
2.7.1 Lernziele ............................................................................................................. 44
2.7.2 Das Prinzip der Gegenkopplung beim nichtinvertierenden Verstärker .............. 44
2.7.3 Funktionsweise und Berechnungsgrundlagen zum nichtinvertierenden
Verstärker ........................................................................................................... 46
2.7.4 Beispiele zum nichtinvertierenden Verstärker ................................................... 47
2.7.5 Übungen und Vertiefung zum nichtinvertierenden Verstärker .......................... 50
3 Mitgekoppelte Schaltungen ................................................................................................. 53
3.1 Komparator ohne Hysterese ......................................................................................... 53
3.1.1 Lernziele ............................................................................................................. 53
3.1.2 Funktionsweise .................................................................................................. 53
3.1.3 Beispiel zum Komparator ohne Hysterese ......................................................... 54
3.1.4 Übungen und Vertiefung zum Komparator ohne Hysterese .............................. 55
3.2 Nichtinvertierender Komparator mit Hysterese ........................................................... 56
3.2.1 Lernziele ............................................................................................................. 56
3.2.2 Funktionsweise ................................................................................................... 56
3.2.3 Beispiele zum nichtinvertierenden Komparator ................................................ 58
3.2.4 Übung und Vertiefung zum nichtinvertierenden Komparator ........................... 60
3.3 Invertierender Komparator mit Hysterese ................................................................... 63
3.3.1 Lernziele ............................................................................................................. 63
3.3.2 Funktionsweise ................................................................................................... 63
3.3.3 Beispiel zum invertierenden Komparator ........................................................... 65
3.3.4 Übung und Vertiefung zum invertierenden Komparator ................................... 66
4 Vertiefungsübungen zu OP-Schaltungen .............................................................................. 68
4.1 OP-Grundschaltungen .................................................................................................. 68
4.1.1 Mit- und gegengekoppelte Grundschaltungen ................................................... 68
4.1.2 Zuordnung der Ausgangsspannung bei vorgegebenem Eingangssignal …..…...... 69
4.2 Messschaltung zur Temperatur- und Helligkeitsanzeige .............................................. 71
4.2.1 Funktionsbeschreibung zur Temperaturmessschaltung ..................................... 71
4.2.2 Dimensionierungsgesichtspunkte ....................................................................... 71
4.2.3 Funktionsbeschreibung zur Helligkeitsmessschaltung ....................................... 72
4.2.4 Dimensionierungsgesichtspunkte ....................................................................... 72
4.2.5 Beispiele ............................................................................................................. 73
4.2.6 Übungen und Vertiefung .................................................................................... 75
4.3 TTL-Logik-Tester mit Operationsverstärkern ................................................................ 77
4.3.1 Signalzustände von Logikgattern ......................................................................... 77
IX
4.3.2 Hinweise zum TTL-Logik-Tester .......................................................................... 78
4.3.3 Funktionsweise des Logiktesters ........................................................................ 78
4.3.4 Dimensionierung ................................................................................................ 79
4.3.5 Umrechnung auf eine andere Betriebsspannung ............................................... 80
4.3.6 Der Überspannungsschutz .................................................................................. 81
4.3.7 Übungen und Vertiefung .................................................................................... 81
4.4 Universelle Messschaltung ........................................................................................... 83
4.4.1 Umwandlung des Logiktesters zur universellen Messschaltung ........................ 83
4.4.2 Übungen und Vertiefung .................................................................................... 84
4.5 Analogverstärker-Schaltungen ..................................................................................... 85
4.5.1 Die Konzeption von Rechenverstärkern ............................................................ 85
4.5.2 Der Eingangswiderstand eines Rechenverstärkers ............................................. 85
4.5.3 Die Beeinflussung des Ausgangssignales durch eine Last ................................... 86
4.5.4 Beispiele zu Rechenverstärkerschaltungen ........................................................ 88
4.5.5 Übungen und Vertiefung .................................................................................... 92
4.6 Digital-Analog-Umsetzer und Analog-Digital-Umsetzer ............................................... 99
4.6.1 DA-Prinzip ........................................................................................................... 99
4.6.2 Beispiel zum DA-Summierverstärker .................................................................. 101
4.6.3 Übung und Vertiefung zum Summierverstärker als DA-Wandler ....................... 101
4.6.4 DA-Wandler-Prinzip mit R-2R-Netzwerk ............................................................. 103
4.6.5 Beispiel zum R-2R-Netzwerk ............................................................................... 103
4.6.6 Übungen und Vertiefung .................................................................................... 104
4.6.7 AD-Prinzip im Flash-Wandler .............................................................................. 105
4.6.8 Beispiel zum Flash-AD-Wandler .......................................................................... 108
4.6.9 Übung und Vertiefung ........................................................................................ 108
4.7 Funktionsgeneratoren mit Anwendungsbeispielen ...................................................... 109
4.7.1 Rechteck-Dreieck-Generator .............................................................................. 109
4.7.1.1 Funktionsweise eines Standard-Rechteck-Dreieck-Generators ............... 109
4.7.1.2 Berechnungsgrundlagen ........................................................................... 109
4.7.2 Pulsweitenmodulation ....................................................................................... 112
4.7.2.1 Pulsweitenmodulation mit Rechteck-Dreieck-Generator ........................ 112
4.7.2.2 Übung und Vertiefung .............................................................................. 113
4.7.3 Leistungs-PWM ................................................................................................... 115
4.7.3.1 Technische Daten ..................................................................................... 115
4.7.3.2 Funktionsbeschreibung ............................................................................ 115
4.7.3.3 Berechnungsgrundlagen .......................................................................... 115
4.7.3.4 Übung und Vertiefung .............................................................................. 118
4.7.4 PWM mit standardisiertem astabilen Multivibrator ……………………………..………… 119
4.7.4.1 Vorbetrachtungen zur Berechnung des Standard-Multivibrators …………. 119
4.7.4.2 Berechnungen zum astabilen Multivibrator mit Pulsweitenmodulation .. 122
4.7.4.3 Astabiler Multivibrator mit PWM und unipolarer Spannungsversorgung 123
4.7.4.4 Übung und Vertiefung ………………………………………………………….……………….. 126
4.8 Triggerschaltungen ....................................................................................................... 127
4.8.1 Netzsynchroner Sägezahngenerator .................................................................. 127
4.8.1.1 Funktionsbeschreibung ............................................................................ 127
4.8.1.2 Dreieck-Sägezahnspannungsumwandlung ............................................... 128
X
4.8.1.3 Berechnungsgrundlagen .......................................................................... 129
4.8.1.4 Übung und Vertiefung .............................................................................. 130
4.8.2 Komparator-Schaltung: Einstellbarer Trigger ..................................................... 131
4.8.2.1 Funktionsweise .......................................................................................... 131
4.8.2.2 Übung und Vertiefung .............................................................................. 131
5 OP-Anwendungen in Stromversorgungsgeräten .................................................................. 132
5.1 Konventionelle Netzgeräte mit Serienstabilisierung .................................................... 132
5.1.1 Die Funktionsweise der Serienstabilisierung nach regelungstechnischen
Gesichtspunkten ................................................................................................. 132
5.1.2 Aufbau und Wirkungsweise eines serienstabilisierten Netzgerätes ................... 133
5.1.3 Berechnungsgrundlagen .................................................................................... 133
5.1.4 Vor- und Nachteile der analogen Serienstabilisierung ....................................... 134
5.1.5 Beispiel zu einem Stromversorgungsgerät mit Serienstabilisierung ................... 134
5.1.6 Übung und Vertiefung ........................................................................................ 135
5.2 Stromversorgungsgerät mit symmetrisch-bipolarer Ausgangsspannung ..................... 137
5.2.1 Funktionsweise und Dimensionierungsgesichtspunkte ...................................... 137
5.2.2 Übung und Vertiefung zum Netzteil mit bipolarer Spannungsversorgung ......... 140
5.3 Standard-Stromversorgungsgeräte mit Operationsverstärkern ................................... 141
5.3.1 Aufbau der Standard-Schaltung .......................................................................... 141
5.3.2 Die dynamischen Eigenschaften des Standard-Netzteiles .................................. 142
5.3.3 Übungen und Vertiefung .................................................................................... 149
5.4 Sekundär getaktete Netzgeräte mit freilaufender Schaltfrequenz ............................... 152
5.4.1 Die Funktionsweise sekundär getakteter Netzgeräte mit
freilaufender Taktfrequenz ................................................................................. 152
5.4.2 Funktionsweise und Realisierung eines Sekundär-Schaltnetzteiles
mit freilaufender Schaltfrequenz ........................................................................ 153
5.4.3 Übung und Vertiefung zum freilaufenden Schaltnetzteil ................................... 157
5.5 Sekundär-Schaltnetzteil mit fester Schaltfrequenz ....................................................... 159
5.5.1 Sekundär getaktetes Stromversorgungsgerät mit fester Schaltfrequenz ........... 159
5.5.2 Der Schaltregler L4960 und seine Beschaltung ................................................... 159
5.5.3 Beispiele zum Sekundär-Schaltregler ................................................................. 163
5.5.4 Übung und Vertiefung ........................................................................................ 165
5.6 Primär getaktete Stromversorgungsgeräte .................................................................. 166
5.6.1 Die Funktionsweise eines primär geschalteten Stromversorgungsgeräts .......... 166
5.6.2 Beispiel zum primär getakteten Schaltnetzteil ................................................... 167
5.6.3 Übung und Vertiefung zu primär getakteten Netzteilen .................................... 170

6 Übertragungsverfahren nach dem Frequency-Shift-Keying-Prinzip ..................................... 172
6.1 Allgemeines zum Frequency-Shift-Keying-Verfahren ................................................... 172
6.2 Blockschaltbild und Funktionsweise des FSK-Empfängers ............................................ 172
6.3 Funktionsbeschreibung zur Frequenzauswerteschaltung ............................................. 174
6.3.1 Operationsverstärker V - Vorverstärker ............................................................ 174
1
6.3.2 Operationsverstärker V und V - Aktive Bandfilter ............................................ 174
2 3
6.3.3 Berechnungsbeispiel für ein aktives Bandfilter .................................................. 177
XI
6.3.4 Die Demodulation .............. ................................................................................ 180
6.3.5 Signalaufbereitung des demodulierten Signales ................................................ 182
6.4 Aktive Filter mit Operationsverstärkern ....................................................................... 184
6.4.1 Das Tiefpassfilter ................................................................................................ 184
6.4.2 Das Bandfilter ..................................................................................................... 186
6.5 Übung und Vertiefung zur Frequenzauswerteschaltung .............................................. 188
6.6 Frequenzumtastung ...................................................................................................... 191
6.7 Berechnungsgrundlagen ............................................................................................... 191
6.8 Übung und Vertiefung ................................................................................................... 195
7 Kenndaten und Anwendungshinweise zum realen OP ......................................................... 196
7.1 Kenndaten zum Operationsverstärker .......................................................................... 196
7.1.1 Die wichtigen Kenngrößen des Operationsverstärkers ...................................... 196
7.1.2 Tabellarische Übersicht über die wichtigen Kenngrößen ................................... 196
7.1.3 Kenndaten des Operationsverstärkers μA741 ................................................... 198
7.2 Verstärkung und Zeitverhalten ..................................................................................... 206
7.2.1 Frequenzgang des Operationsverstärkers .......................................................... 206
7.2.2 Die Slewrate oder Anstiegsflanke ....................................................................... 209
7.2.3 Beeinflussung des Frequenzganges durch Gegenkopplungsbeschaltung ........... 212
7.2.4 Übung und Vertiefung ........................................................................................ 215
7.3 Stabilitätskriterien von beschalteten Operationsverstärkern ...................................... 217
7.3.1 Stabilitätskriterien nach dem Bode-Diagramm .................................................. 217
7.3.2 Stabilitätskriterien zum Phasen- und Amplitudengang ..................................... 219
7.3.3 Stabilitätskriterien zum invertierenden Verstärker und Differenzierer ............. 220
7.3.4 Übung und Vertiefung ....................................................................................... 224
7.4 Eingangsgrößen ............................................................................................................ 225
7.4.1 Eingangsgrößen und ihre Offsets ......................................................................... 225
7.4.2 Übliche Maßnahmen zur Offsetspannungskompensation ................................. 228
7.4.3 Die Offsetkompensation am integrierenden Verstärker .................................... 230
7.5 Rail-to-Rail-Operationsverstärker .................................................................................. 233
7.5.1 Die Rail-to-Rail-Konzeption ................................................................................. 233
7.5.2 Ausgangsstufen von Standard-Operationsverstärkern ...................................... 233
7.5.3 Ausgangsstufen von Rail-to-Rail-Operationsverstärkern ................................... 234
7.5.4 Anwendungsbeispiele zu einem Rail-to-Rail-OP ................................................. 235
7.5.4.1 Schaltsymbol, Gehäuse und Kenndaten ................................................... 236
7.5.4.2 Messtechnische Bestimmung der Transitfrequenz .................................. 237
7.5.4.3 Die Aussteuergrenzen .............................................................................. 242
7.5.4.4 Invertierender NF-Verstärker unipolarer Spannungsversorgung ………..... 244
7.5.4.5 Standard-Vorverstärker mit unipolarer Spannungsversorgung …............. 248
7.5.5 Übung und Vertiefung ........................................................................................ 250
8 Die Austauschbarkeit von Komparator- und OP-ICs untereinander .................................... 251
8.1 Problemstellung ............................................................................................................ 251
8.2 Der Standard-Komparator LM339 ................................................................................ 251
8.3 Standard-Komparator-Schaltung mit Komparator-ICs und OP-ICs ............................... 252
8.4 Komparatoren mit Hysterese ........................................................................................ 253
8.4.1 Nichtinvertierender Komparator mit Hysterese ................................................. 253