Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik

20 Anwendung Operationsverstärker

Prof. Dr. Jörg Vollrath


19 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

Schmitt-Trigger realer Versuchsaufbau

Operationsverstärker mit unipolarer/ positiver Versorgungsspannung

Der Operationsverstärker hat eine Common Mode Range, die nicht bis zur Versorgungsspannung reicht.
Das Eingangssignal wird abgeschnitten.

Eine Hilfsspannung am positiven Eingang schiebt das Ausgangssignal in die Common Mode Range.

Ringoszillator

Man kann einen Ringoszillator mit einer ungeraden Anzahl von Verstärkern bauen.

Für die Simulation benötigt man eine Anfangsbedingung (.ic initial condition) um eine Spannung zu setzen und die Schwingung zu starten.
Es gibt einen theoretischen stabilen Zustand, wenn alle Spannungen V0, V1,V2 auf 0V liegen.
In der Realität sollte dieser Zustand nicht auftreten, da es Störsignale und Unterschiede in realen Operationsverstärkern gibt.
Der Schaltungsentwickler sollte nicht nur eine stabilen Zustand (ein/aus) sondern auch das Einschalten und ausschalten einer Schaltung untersuchen.

Nächstes Mal


21 Übung