Berechnung einer Verstärkerschaltung

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 368 -32 368 -48
WIRE 400 -32 368 -32
WIRE 608 -16 576 -16
WIRE 400 16 400 -32
WIRE 448 16 400 16
WIRE 608 16 576 16
WIRE 16 32 -32 32
WIRE 64 32 16 32
WIRE 176 48 128 48
WIRE 192 48 176 48
WIRE 240 48 192 48
WIRE 336 48 320 48
WIRE 368 48 336 48
WIRE 448 48 368 48
WIRE 608 48 576 48
WIRE 64 64 32 64
WIRE 176 64 176 48
WIRE 336 64 336 48
WIRE 448 80 416 80
WIRE 608 80 576 80
WIRE -32 96 -32 32
WIRE 336 144 336 128
WIRE 32 160 32 64
WIRE 176 160 176 144
WIRE 176 160 32 160
WIRE 176 176 176 160
WIRE 416 176 416 80
WIRE -32 224 -32 176
WIRE 0 224 -32 224
WIRE 176 272 176 256
FLAG 176 272 0
FLAG 336 144 0
FLAG 368 -48 CLK
FLAG 416 176 VDD
FLAG 608 -16 D0
FLAG 608 16 D1
FLAG 608 48 D..
FLAG 608 80 Dn-1
FLAG 0 224 VDD2
FLAG 16 32 Vin
FLAG 192 48 Vout
FLAG 368 48 VinADC
SYMBOL OpAmpModel 96 48 M180
SYMATTR InstName X1
SYMBOL voltage -32 80 R0
WINDOW 123 24 124 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value2 AC 1
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 0.1 10k)
SYMBOL res 160 160 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res 160 48 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 350k
SYMBOL res 336 32 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 10k
SYMBOL cap 320 64 R0
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 1p
SYMBOL 4Bit_ADC_pipe 512 48 R0
SYMATTR InstName X2
TEXT 264 264 Left 2 !VDD2 VDD2 0 DC 0\nVDD VDD 0 DC 3.6
TEXT 16 328 Left 2 !V2 CLK 0 PULSE(0 3.6 0 0.1u 0.1u 2.4u 5u)
TEXT 264 200 Left 2 !;tran 100u
TEXT 184 -16 Left 2 !.ac dec 10 1 0.2G
TEXT 480 -24 Left 2 ;ADC
TEXT 456 104 Left 2 ;Vref

Dimensionierung einer Operationsverstärkerschaltung

1. Drücken Sie die relative Wertigkeit des LSBs des ADCs in der Einheit “ppm“ aus und berechnen den Wert des LSBs in Volt
2. Die Amplitude V1 = 100 mV soll am ADC-Eingang eine Amplitude von VinADC = 3,6 V erzeugen. R1 sei 10 kΩ Berechnen Sie den Wert für R2. Wie groß ist die erforderliche Verstärkung vu?
3. Der Operationsverstärker habe eine Transitfrequenz ft = 5 MHz. Wie groß ist die Bandbreite fCL (CL=Closed Loop) der Verstärkerschaltung?
4. Welche Funktion hat R3 bzw. C1 für die Signalspannung?
5. Die Abtastfrequenz beträgt fsample = 200 kHz, R3 sei 10 kΩ. Um einen Aliasingfehler zu begrenzen dimensionieren Sie C1 so, dass bei fsample/2 eine Dämpfung von 40 dB gilt. Welche Grenzfrequenz fc,LP gilt (LP= Low Pass) dann für die Signalspannung.
6. Mit welcher Zusatzschaltung könnten Sie erreichen, dass bei gleichem Aliasingfehler eine größere Signalbandbreite als die zuvor berechnete fc,LP möglich ist?

Berechnung einer Verstärkerschaltung

Sie stellen nun ein DC Fehler-Budget (Error Budget) auf:

1. Der Input Bias Current IB- fließt in den invertierenden Eingang des OPs und beträgt 80 nA bei 25°C. Die Temperaturdrift +0,5 nA/K Berechnen Sie für die Dimensionierung gemäß Teilaufgabe 1.2. die bei 75°C entstehende Ausgangsspannungsanteil Vout,bias,75°.
2. Die Input Offset Voltage Vos betrage 0,6 mV bei 25°C, die Temperaturdrift +4 µV/K . Berechnen Sie für die Dimensionierung gemäß Teilaufgabe 1.2. die bei 75°C entstehende Ausgangsspannungsanteil Vout,OS,75°.
3. Die Widerstände R1 und R2 haben eine Toleranz fdR von ± 1%. In welchem Wertebereich liegt nun die Verstärkung vureal? Die Temperaturdrift sei vernachlässigbar klein. Wie groß wird durch die Toleranz die Änderung der Ausgangspannung dVout,Rtol bei V1 = 100 mV
4. Wie gross ist der Fehler der Dualzahl am Ausgang des ADCs?

Rauschen einer Verstärkerschaltung

Untersuchen Sie nun die Rauscheigenschaften bei 25°C:

1. Die Widerstände R1 und R2 sind mit dem Eigenrauschen zu berücksichtigen. Mit welchen Effektivwerten Vout,R1,n erscheint R1 und und mit welchen Vout,R2,n R2 am Ausgang des OpAmps?
2. Nehmen Sie vereinfachend an, dass die Voltage Noise Spectral Density enop = 5 nV/√Hz des OpAmps konstant über den betrachteten Frequenzbereich (Bandbreite fCL) ist. Mit welchem Effektivwert Vout,OP,en erscheint das Rauschsignal am Ausgang des OpAmps?
3. Nehmen Sie vereinfachend an, dass die Current Noise Spectral Density inop = 10 fA/√Hz des OpAmps konstant über den betrachteten Frequenzbereich (Bandbreite fCL) ist. Mit welchem Effektivwert Vout,OP,in erscheint das Rauschsignal Vout,OP,in am Ausgang des OpAmps?
4. Berechnen Sie den Summen-Effektivwert Vout,total,n aus allen Rauschanteilen am Ausgang in Volt und geben diesen auch in in ppm bezogen auf Vout an.

Nächstes Mal: Testklausur