Joachim Federau Operationsverstärker Aus dem Programm _____________ .. Elektronik Elektronik 1: Bauelemente von B. Morgenstern Elektronik 2: Schaltungen von B. Morgenstern Elektronik 3: Digitale Schaltungen und Systeme von B. Morgenstern Operationsverstärker Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen von 1. Federau Elektronik-Aufgaben Analoge Schaltungen von B. Morgenstern Elektronik-Aufgaben Bauelemente von B. Morgenstern Elektronik-Aufgaben Digitale Schaltungen und Systeme von M. Rübe! und U. Schaarschmidt Elemente der angewandten Elektronik von E. Böhmer Vieweg _______________________________ ~ Joachim Federau Operationsverstärker Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen Mit 489 Bildern Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Federau, Joachim: Operationsverstärker: Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen / Joachim Federau. - Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, 1998 (Viewegs Fachbücher der Technik) ISBN 978-3-528-03857-1 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenberger lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik. Alle Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden, 1998 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweigiWiesbaden 1998 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeiche rung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. http://www.vieweg.de Umschlaggestaltung: Klaus Birk, Wiesbaden Gedruckt auf säurefreiem Papier ISBN 978-3-528-03857-1 ISBN 978-3-663-10951-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-10951-8 v Vorwort Zielgruppen für dieses Buch sind insbesondere Autodidakten, Auszubildende in anspruchsvollen Industrieelektronikerberufen, Meister, Techniker, Ausbilder und Unterrichtende. Es ist als Einstieg in das Ingenieurschulstudium im Bereich Elektronik ebenfalls gut geeignet. Der Leser soll sensibilisiert werden für die qualitative und quantitative Ab schätzung von Elektronikschaltungen. 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 nachfolgende Punkte: - Die ersten drei Kapitel eröffnen das Grundverständnis für OP-Schaltungen hinsichtlich Funktion und Berechenbarkeit. Die nächsten Kapitel stellen Vertiefungsübungen dar. Sie können in unabhängiger Reihenfolge erarbeitet werden. - Zu jedem Abschnitt bestehen durchgerechnete Beispiele. Die nachfolgenden AufgabensteIlungen können ohne Hilfestellungen weiterer Personen nach vollzogen werden. Hierzu ist ein ausführlicher Lösungsanteil vorgesehen. - Für Unterrichtende sind die Lerninhalte und Vertiefungsübungen eine sehr gute Anregung für die Erstellung eigener neuer Aufgaben. - Es sind nur verständnisfördernde Transferleistungen der fundamentalen Elektrotechnik wie Ohmsches und Kirchhoffsches Gesetz, Potential betrachtungen und ähnliche Elementarkenntnisse notwendig. - Durch den Verständniserwerb soll die Entwicklung eigener Schaltungen erleichtert werden. Schaltungsprinzipien sollen generalisiert werden können. Damit eignet sich dieses Buch für die Begleitung von Lehrveranstaltungen und auch ganz besonders für das Selbststudium. Apensen, im Januar 1998 Joachim Federau VI Was man noch Ober 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 2,2kO 2k2 1M 2 oder 1, 2M entspricht 1,2MO 4R7 "oder 4,7R entspricht 4,70 usw. 4R7 1M2 Gleiches gilt für die Bezeichnung von Kondensatoren. lOR Die Bezeichnung von 2,2kO oder 100 ist in Schaltungs darstellungen nicht so üblich, während in Textseiten die Bezeichnung 2k2 für 2,2kO grundsätzlich vermieden worden ist. Im Text und insbesondere in Berechnungsaufgaben sind die Größen stets einheitengerecht mitgeführt. Die Leitungsführung und die entsprechenden Verbindungen sind wie folgt dargestellt: 1 1 lelt,mole V.....e....r...l..o....l..n...1 ol\u ..n .g.... ....... _.. ~ ,leitende Verbindung ......... .. ............. ~ Stumpf aufeinanderstoßende Leitungen sind immer leitendeVerbindungen. Ein zusätzlich eingetra gener ~otenpunkt erhöht möglicherweise die Lesbarkeit einer Schaltung. Er ist aber nicht notwendig. 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". Der noch gebräuchliche Begriff 'Spannungsabfall' wurde durchgehend durch das Wort 'Spannungsfall' ersetzt. Grundsätzlich sind alle Spannungen und Ströme mit richtungsorientierten Spannungs-und Strompfeilen versehen. Potentiale besitzen üblicherweise keine Spannungspfeile. Es sind Span nungsangaben, die sich auf das Bezugspotential von OV 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 Uss bedeutet der Spitze-zu-Spitze-Wert einer Spannung. Zwei Schreibweisen sind möglich: U=5Vss oder Uss=SV. Es liegt eine Spitze-zu-Spitze-Spannung von SV vor. Inhaltsverzeichnis VII Inhaltsverzeichnis 1 Operatlonsverstirker: Kenndaten und Funktion 1.1 Lernziele ...................................................................................................................... . 1.2 Schaltsymbol ............................................................................................................... 1.3 Kenndaten ........ ........ .......... ........ ........................ .............. ........ ........................ ...... ..... 1 1.3.1 Kenndaten des idealen Operationsverstärkers .............. ......................... 1 1.3.2 Kenndaten typischer Operationsverstärker ............................................ . 1.4 Funktionsbeschreibung ............................................................................................. 1.5 Übertragungskennlinie ............................................................................................... 2 1.6 Schaltsymbol. Aufbau und Kenndilten 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 B9de-Diagramm .......................... 36 2.5.9 Beispiel zum Integrator an Sinusspannung ............................................ 38 2.5.10 Übungen und Vertiefung zum Integrierer ................ ........................ ......... "38 VIII Inhaltsverzeichnis 2.6 Der Differenzierer ........................................................................................................ 40 2.6.1 Lernziele .......................................................................................... ............ 40 2.6.2 Die Funktionsweise des Differenzierers ..................................... .............. 40 2.6.3 DreieckfOrmige Spannung am Differenzierer ......... ...... ........ .......... .......... 40 2.6.4 SinusfOrmige 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 Obung und Vertiefung zum nlchtinvertferenden 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 HeHigkeitsanzeige .......................................... 71 4.2.1 Funktionsbeschreibung zur TemperaturmeBschaitung ....................... .. 71 4.2.2 DimensionierungsgesichtsPunkte ............................................................ 71 4.2.3 Funktionsbeschreibung zur HeHigkeitsrneBschaltung .......................... .. 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 ......................................................... .. n 4.3.1 Signalzustände von Logikgattern ............................................................ . n 4.3.2 Hinweise zum TTL-Logik-Tester .............................................................. . 78 4.3.3 Funktionsweise des Logiktesters ........................................................... .. 78 4.3.4 Dimensionierung ....................................................................................... . 79 Inhaltsverzeichnis IX 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 Rechenverstarkers ................................ 85 4.5.3 Die Beeinflussung des Ausgangssignales durch eine Last ........ ........... 86 4.5.4 Beispiele zu Rechenverstarkerschaltungen ............................................ 88 4.5.5 Übungen und Vertiefung .......... .......... .......... ............................................. 92 4.6 Digital-Analog-Umsetzer und Analog-Digital-Umsetzer .......... .'.................. .............. 97 4.6.1 DA-Prinzip. ........................ .......................... ................................................ 97 4.6.2 Beispiel zum DA-Summierverstärker ........................ ................................ 99 4.6.3 Übung und Vertiefung zum Summierverstärker als DA-Wandler 99 4.6.4 DA-Wandler-Prinzip mit R-2R-Netzwerk ................................................... 101 4.6.5 Beispiel zum R-2R-Netzwerk ..................................................................... 101 4.6.6 Übungen und Vertiefung .......................................................................... 102 4.6.7 AD-Prinzip im Flash-Wander .................................................................... 104 4.6.8 Beispiel zum Flash-AD-Wandler ................................................................ 106 4.6.9 Übung und Vertiefung .............................................................................. 106 4.7 Funktionsgeneratoren mit Anwendungsbeispielen ................................................. 107 4.7.1 Rechteck-Dreieck-Generator .................................................................... 107 4.7.1.1 Funktionsweise eines Standard-Rechteck-Dreieck-Generators 107 4.7.1.2 Berechnungsgrundlagen ................................................................. 107 4.7.2 Pulsweitenmodulation ............................................................................... 110 4.7.2.1 Pulsweitenmodulation mit Rechteck-Dreieck-Generator ............. ,. 110 4.7.2.2 Übung und Vertiefung ...................................................................... 111 4.7.3 Leistungs-PWM. .................................... .......... ........ ........ ............ ............... 113 4.7.3.1 Technische Daten ............................................................................. 113 4.7.3.2 Funktionsbeschreibung .................................................................... 113 4.7.3.3 Berechnungsgrundlagen ................................................................. 113 4.7.3.4 Übung und Vertiefung ............................................ .......................... 116 4.8 Triggerschaltungen ..................................................................................................... 117 4.8.1 Netzsynchroner Sagezahngenerator ........................ ,.............................. 117 4.8.1.1 Funktionsbeschreibung ......................... ...................... ............ ......... 117 4.8.1.2 Dreieck-Sägezahnspannungsumwandlung ...................... ............. 118 4.8.1.3 Berechnungsgrundlagen ................................................................. 119 4.8.1.4 Übung und Vertiefung ...................................................................... 120 4.8.2 Komparator-Schaltung: Einstellbarer Trigger ......................................... 121 4.8.2.1 Funktionsweise .................................................................................. 121 4.8.2.2 Übung und Vertiefung ...................................................................... 121 x Inhaltsverzeichnis 5 OP-Anwendungen In Stromversorgungsgeriten 122 5.1 Konventionelle Netzgeräte mit Serienstabilisierung ................................................. 122 5.1.1 Die Funktionsweise der Serienstabilisierung nach regelungs- technischen Gesichtspunkten .................................................................. 122 5.1.2 Aufbau und Wirkungsweise eines serienstabilisierten Netzgerätes 123 5.1.3 Berechnungsgrundlagen .......................................................................... 123 5.1.4 Vor-und Nachteile der analogen Serienstabilisierung ....... .................... 124 5.1.5 Beispiel zu einem Stromversorgungsgerät mit Serienstabilisierung 124 5.1.6 Übung und Vertiefung ............................................................................... 125 5.2 Stromversorgungsgerät mit symmetrischer bipolarer Ausgangsspannung 127 5.2.1 Funktionsweise und Dimensionierungsgesichtspunkte ......................... 127 5.2.2 Übung und Vertiefung zum Netzteil mit bipolarer Spannungsversorgung .......... ............ ........ .......... ........ ............ .................. 130 5.3 Standard-Stromversorgungsgeräte mit Operationsverstärkern unter der Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften ................................................ 131 5.3.1 Aufbau der Standard-SChaltung ..... ...... .......... ................ .......................... 131 5.3.2 Die dynamischen Eigenschaften des Standard-Netzteiles .................... 132 5.3.3 Übungen und Vertiefung ........................................................................... 139 5.4 Sekundär getaktete Netzgeräte mit freilaufender Schaltfrequenz .......................... 141 5.4.1 Die Funktionsweise sekundär getakteter Netzgeräte mit freilaufender Taktfrequenz .............................................................................................. 141 5.4.2 Funktionsweise und Realisierung eines Sekundär-Schaltnetzteiles mit freilaufender Schaltfrequenz ......... ........ ........ .............. ...... ............ ...... 142 5.4.3 Berechnungsgrundlagen zur Schalthysterese des Komparators 143 5.4.4 Berechnungsgrundlagen zum Tiefsetzsteller-Glatl:ungsnetzwerk 147 5.4.4.1 Funktionsweise .................................................................................. 147 5.4.4.2 Funktion und Berechnungsgrundlagen zum Kondensator im Tiefsetzsteller ....... .................. ........ ........ .......... ...... ...... ............ .......... 150 5.4.4.3 Dimensionierung von L und C des Tiefsetzsteners ........................ 153 5.4.4.4 Übung und Vertiefung zum Tiefsetzsteller-Glattungsnetzwerk 156 5.4.5 Beispiele zum SekundArschaltnetzteil mit freilaufender Schaltfrequenz 157 5.4.6 Übung und Vertiefung zum freilaufenden Schaltnetzteil ... ...... ............... 158 5.5 Sekundär-Schaltnetzteil mit festerSchaltfrequenz ................................................... 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 Stromversorgungsgerätes ................................. .................... ................... 166 5.6.2 Beispiel zum primär getakteten Schaltnetzteil ........................................ 167 5.6.3 Übung und Vertiefung zu primär getakteten Netzteilen ...................... ... 170