Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik 3       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik 3

22 Anwendung Operationsverstärker

Prof. Dr. Jörg Vollrath


21 Anwendungen Operationsverstärker




Video der 23. Vorlesung 21.12.2020


Länge: 00:35:00
0:2:45 Rückblick Hochpass und Tiefpass

0:3:55 Komparator, Vergleicher

0:7:34 Simulation

0:9:0 Schmitt Trigger

0:11:55 LTSPICE

0:14:40 xy Darstellung

0:16:4 Rechnung

0:19:33 Hysteresespannung

0:24:0 Wozu benötigt man eine Hysterese

0:28:49 Relaxationsoszillator

0:34:30 LTSPICE Simulation

0:39:21 Rechnung

0:47:0 Frequenz der Schaltung

0:51:0 Vergleich Rechnung und Simulation

0:57:0 Bedeutung der Gleichungen und der Simulation

0:58:52 Aufbau der Schaltung

Rückblick und Heute


Reinhold 12.4, 11.1, 14.2.2

Komparator, Vergleicher

  • Vergleich zweier Spannungen
  • Nicht Rückgekoppelter OPV
  • Beschleunigung des Umschaltens:
    • Begrenzung der Differenz der Eingangsspannungen
In der Simulation wird bei Vref = 0 V die Eingangsspannung Ve zwischen -5 V und 5 V verändert.
Man sieht, wie die Differenzspannung Vei - Vrefi auf 0.7 V begrenzt wird.
Der Komparator ist eine besondere Form des Operationsverstärkers.
Die Schaltung ist optimiert für einen geringen Offset und eine hohe Schaltgeschwindigkeit.
Durch eine geringe maximale Differenzspannung am Eingang kann eine höhere Schaltgeschwindigkeit erreicht werden.
Die Eingangsdifferenzspannung kann durch die Dioden und die Widerstände auf eine Diodenspannung begrenzt werden.

Simulation Komparator, Vergleicher

Die Simulation kann nur das zeigen, was modelliert wird.
Bei der Simulation benötigt man ein realistisches Operationsverstärkermodell mit Ausgangsspannungsbegrenzung.
Das Operationsverstärkermodell hat keinen Offset eingebaut. Ein echter Operationsverstärker wird immer einen Offset von einigen mV haben.

Schmitt Trigger

Ein Schwellwertschalter mit Hysterese

Reale Signale haben immer Störungen.
Kleine Wechselspannungen sind dem idealen Signal überlagert.
Wenn sich das Eingangssignal ändert kann es an der Umschaltschwelle durch die Störsignale zum mehrmaligen Umschalten oder Prellen führen.
Um das zu verhindern kann man einen Tiefpass oder eine Hysterese einsetzen.

Schmitt Trigger in LTSPICE

Realer Operationsverstärker
\( U_{amax}, U_{amin} \)
LTSPICE: DC Simulation zeigt keine Hysterese
Transiente Simulation
LTSPICE Mausklick auf x - Achse: V(ve)
Hysterese:
\( U_H = \left( U_{amax} - U_{amin} \right) \frac{R_1}{R_2} \)
\( U_H = \left( 14 V - (- 14 V) \right) \frac{1 k\Omega}{10k\Omega} = 2.8 V \)
Oszilloskopmessung: x-y Betrieb

Relaxationsoszillator


Die gewünschte Spannnung würde man mit einer Operatiosnverstärkerschaltung nach aussen bringen.
Die Operationsverstärkerschaltung stellt sicher, dass der Generator nicht belastet und der gewünschte Ausgangspegel und Ausgangswiderstand eingestellt wird.

Relaxationsoszillator Rechnung

Die Spannungsverläufe \( U_1(t) \) und \( U_2(t) \) des Funktionsgenerators, sowie deren Frequenz sind zu bestimmen.

Relaxationsoszillator Simulation

Es gibt 2 Arbeitspunkte: 0 V und oszillierend.
Man muss auch immer das Einschalten und Ausschalten betrachten.
Setzen einer Spannung mit .ic (initial condition)

Nachdenken über die Lösung

Relaxationsoszillator realer Versuchsaufbau

VP+ = 3 V
VP- = -3 V
OSC1: positiver Eingang des Operationsverstärkers des Schmitt-Triggers.
OSC2: Ausgang Integrator, Eingang Schmitt Trigger
OSC3: Ausgang des Schmitt-Triggers,
Maximale positive Spannung: 1.5V
Maximale negative Spannung: -2.9V
fosc = 2.9kHz
C = 0.68 &micr;F
Op1: Integrator
Op2: Schmitt Trigger
Widerstände: 100Ω, 1kΩ, 1kΩ, 10kΩ, 100kΩ
2. Widerstand Eingang Integrator
3.Widerstand Input Schmitt Trigger

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