OPV Interessefragen?
Guten Tag,
hatten in der Schule vor kurzem das Thema OPV und da gibt es einige fragen die mich bezüglich diesem Thema interessieren, die ich im Unterricht meines Lehrers nicht mitnehmen konnte:
Worin liegt der Vorteil einer OPV- Schaltung mit symmetrischer Spannungsversorgung?
Bei gleichen Widerstandswerten R1 und R2; welcher Unterschied in Bezug auf die Verstärkung ergibt sich zwischen den beiden Grundschaltungen und warum?
Was bedeutet Offset und wozu dient die Offset-Kompensation?
Wie wird die Aussteuergrenze bei OPVs noch genannt und mit welchen Spezial-OPVs kommt man bei der Ausgangsspannung näher an die Betriebsspannung heran?
Warum hat der OPV eine Grenzfrequenz, weshalb besitzt er grundsätzlich ein Tiefpassverhalten, worauf sind diese Eigenschaften schaltungstechnisch rückzuführen?
Diese Fragen stehen bei uns im Skriptum die ich nicht beantworten kann. Danke im Vorraus.
2 Antworten
Nach der ausführlichen Antwort von YBCO123 (alles OK) will ich mal was zum letzten Punkt sagen:
Das Problem bei jedem Verstärker mit Rückkopplung ist die Stabilität, denn oft kann dabei ungewollt ein Oszillator entstehen: Deshalb muss man Vorsorge treffen, dass der OPV bei jedem Rückkopplungsfaktor k (der durch die beiden R bestimmt wird) auch stabil arbeiten kann.
Dazu muss man wissen, WANN bzw. unter welchen Bedingungen die Schaltung instabil werden kann: Schwingbedingung nach Barkhausen!
Man muss Sorge dafür tragen, dass der Verstärkungswert des OPV multipliziert mit dem Rückkopplungsfaktor k bereits kleiner ist als "1", wenn die unvermeidliche Phasendrehung (der OPV hat interne Kapazitäten, die die Phase beeinflussen) den Wert von 180 Grad erreicht hat. Das ist zumeist im höheren MHZ-Bereich der Fall. Zusammen mit dem Minuszeichen am Einspeisungspunkt der Rückkopplung würde das nämlich dann eine Phasendrehung von 360 Grad ergeben - also eine MITKOPPLUNG werden. Das würde zur Instabilität führen, wenn die Schleifenverstärkung (OPV-Verstärkung mal k) dann noch >1 wäre.
Das ist der Grund dafür, dass man dem OPV absichtlich eine so kleine Grenzfrequenz gibt (20...100 Hz nur), damit nämlich dessen Verstärkung durch die Tiefpass-Wirkung tief genug abgesunken ist, wenn die Phasendrehung die kritischen 180 Grad erreicht hat.
Noch ein Wort zur OPV-Verstärkung:
Die wird absichtlich so groß gewählt (mindestens 100 000 bei kleinen Frequenzen), damit man durch Gegenkopplung jeden gewünschten Verstärkungswert einstellen kann (oder auch andere Funktionen, wie Integration z.B. ermöglicht) .
Dann spielt nämlich der Wert der OPV-Verstärkung selber nur noch eine vernachlässigbare Rolle beim Übertragungsverhalten. Das sieht man an der Formel, die Ihr bestimmt abgeleitet habt.
Auch wenn bei höheren Frequenzen die OPV-Verstärkung vielleicht nur noch 10 000 oder 1000 beträgt, ist das immer noch genug, damit die Verstärkung der Gesamtschaltung auch weiterhin nahezu ausschließlich durch die Elemente in der Rückkopplung bestimmt wird.
@Rene1108: Hier sieht man das übrigens gut:
http://www.jens-wesemann.de/frequenzg.gif
Dieser frequenzkompensierte OPV hat schon bei 10Hz seine Grenzfrequenz. Eine Verstärkung von 40dB funktioniert daher nur bis zu etwa 10kHz.
Worin liegt der Vorteil einer OPV- Schaltung mit symmetrischer Spannungsversorgung?
Dass man ohne Probleme auch negative Eingangssignale verarbeiten kann bzw. auch solche, die sich sehr Nahe bei Null befinden.
OPVs haben einen eingansseitigen Austeuerbereich. Bei klassischen OPVs darf die Eingangsspannung i.A. nicht unter die negative bzw. über die positive Versorgung fallen. Daher hat man ein Problem, wenn man sehr kleine Signale oder gar negative verarbeiten möchte.
Für die Ausgangsspannung trifft dies ebenfalls zu, hier gibt es oft sogar einen Aussteuerbereich, der nur bis 1-2V an die Versorgungen heranreicht.
Bei gleichen Widerstandswerten R1 und R2; welcher Unterschied in Bezug auf die Verstärkung ergibt sich zwischen den beiden Grundschaltungen und warum?
Schau mal das Vorzeichen und die Verstärkung an:
Bei dem invertierenden Verstärker: A=-R2/R1=-1, beim nicht invertierenden A=1+R2/R1=2
Was bedeutet Offset und wozu dient die Offset-Kompensation?
Wenn die Spannungsdifferenz am Eingang Null ist, hat der ideale OPV auch Ausgangsspannung Null (genauer: das Differenz-Ausgangssignal der Differenzverstärkerstufe ist Null). Beim realen OPV muss man eine kleine Differenzspannung anlegen, damit der Ausgang tatsächlich auf Null geht. Das ist die Eingangs-Offsetspannung. Sie beträgt meist 10uV bis 1mV und ist nicht vermeidbaren Fertigungstoleranzen geschuldet. Bei hohen Verstärkungen kann diese kleine Spannung wichtig werden, deshalb muss man den Offset oft auch kompensieren. Neben der Eingangs-Offsetspannung gibt es bei bipolaren Eingangsstufen auch einen Eingangs-Offsetstrom, der sehr störend werden kann.
Wie wird die Aussteuergrenze bei OPVs noch genannt und mit welchen Spezial-OPVs kommt man bei der Ausgangsspannung näher an die Betriebsspannung heran?
"Voltage Swing" sieht man in Datenblättern meistens.
Diese Spezial OPVs sind "Rail-To-Rail" OPVs.
Warum hat der OPV eine Grenzfrequenz, weshalb besitzt er grundsätzlich ein Tiefpassverhalten, worauf sind diese Eigenschaften schaltungstechnisch rückzuführen?
Schaltungstechnisch hat man immer parasitäre Kapazitäten im Chip, die Tiefpassverhalten bewirken. Siehe auch Miller Effekt. Man verwendet aber auch künstlich eingebaute Kapazitäten, um den OPV im Frequenzgang zu kompensieren, ansonsten kann es bei großer Gegenkopplung zu einem instabilen Verhalten führen und der OPV ist nicht universell verwendbar.
Danke für diese Schnelle Rückmeldung. Jetzt bin ich ja schon fast experte in diesem Fachgebiet. Mit einer so schnellen und präzisen Antwort Ihrerseits hätte ich nicht gerechnet. Hoffe Sie haben einen wunderschönen Tag.
Mit freundlichen grüßen: