Operationsverstärker

• Spannungsverstärker nehmen Spannung auf und erzeugen eine Spannung am Ausgang.
• Stromverstärker erhalten einen Stromeingang und erzeugen einen Stromausgang.,
• Transkonduktionsverstärker wandeln einen Spannungseingang in einen Stromausgang um.
• Transwiderstandsverstärker wandeln einen Stromeingang um und erzeugen einen Spannungsausgang.

Da die meisten Operationsverstärker zur Spannungsverstärkung verwendet werden, konzentriert sich dieser Artikel auf Spannungsverstärker.

Operationsverstärker: Hauptmerkmale und Parameter

Es gibt viele verschiedene wichtige Eigenschaften und Parameter in Bezug auf Operationsverstärker (siehe Abbildung 1). Diese Eigenschaften werden im Folgenden näher beschrieben.,

Abbildung 1: Operationsverstärkerschema

Open-Loop-Verstärkung

Open-Loop-Verstärkung: Die Open-Loop-Verstärkung („A“ in Abbildung 1) eines Operationsverstärkers ist das Maß für die Verstärkung, die erreicht wird, wenn keine Rückkopplung in der Schaltung implementiert ist. Dies bedeutet, dass der Rückkopplungspfad oder die Schleife offen ist. Eine Open-Loop-Verstärkung muss oft überaus groß sein (10.000+), um an sich nützlich zu sein, außer bei Spannungskomparatoren.

Spannungskomparatoren vergleichen die Eingangsklemmenspannungen., Selbst bei kleinen Spannungsunterschieden können Spannungskomparatoren den Ausgang entweder auf die positive oder negative Schiene treiben. Hohe Open-Loop-Gewinne sind vorteilhaft in Closed-Loop-Konfigurationen, da sie stabile Schaltungsverhalten über Temperatur ermöglichen, Prozess, und Signalschwankungen.

Eingangsimpedanz

Ein weiteres wichtiges Merkmal von OP-Verstärkern ist, dass sie im Allgemeinen eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen („ZIN“ in Abbildung 1). Die Eingangsimpedanz wird zwischen den negativen und positiven Eingangsklemmen gemessen und ihr idealer Wert ist unendlich, wodurch die Belastung der Quelle minimiert wird., (In Wirklichkeit gibt es eine kleine Stromleckage.) Das Anordnen der Schaltung um einen Operationsverstärker kann die effektive Eingangsimpedanz für die Quelle erheblich verändern, so dass externe Komponenten und Rückkopplungsschleifen sorgfältig konfiguriert werden müssen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Eingangsimpedanz nicht nur durch den Eingangs-DC-Widerstand bestimmt wird. Die Eingangskapazität kann auch das Schaltungsverhalten beeinflussen, so dass dies ebenfalls berücksichtigt werden muss.

Ausgangsimpedanz

Ein Operationsverstärker hat idealerweise keine Ausgangsimpedanz („ZOUT“ in Abbildung 1)., Die Ausgangsimpedanz hat jedoch typischerweise einen kleinen Wert, der die Strommenge bestimmt, die sie ansteuern kann, und wie gut sie als Spannungspuffer arbeiten kann.

Frequenzgang und Bandbreite (BW)

Ein idealer Operationsverstärker hätte eine unendliche Bandbreite (BW) und wäre in der Lage, unabhängig von der Signalfrequenz eine hohe Verstärkung aufrechtzuerhalten. Alle Operationsverstärker haben jedoch eine endliche Bandbreite, im Allgemeinen als „-3dB-Punkt“ bezeichnet, bei dem die Verstärkung mit zunehmender Frequenz zu rollen beginnt. Die Verstärkung des Verstärkers nimmt dann mit einer Rate von-20dB/Dekade ab, während die Frequenz zunimmt., Op-Verstärker mit einem höheren BW haben eine verbesserte Leistung, da sie höhere Gewinne bei höheren Frequenzen beibehalten; Diese höhere Verstärkung führt jedoch zu einem größeren Stromverbrauch oder erhöhten Kosten.

Abbildung 2: Operationsverstärker Open-Loop Frequency Response Curve

Gain Bandbreite Produkt (GBP)

Wie der name schon sagt, GBP ist ein Produkt des Verstärker ‚ s gain und Bandbreite., GBP ist ein konstanter Wert über die Kurve hinweg und kann mit Gleichung (1) berechnet werden:

$GBP = Verstärkung x Bandbreite = A x BW$$

GBP wird an dem Frequenzpunkt gemessen, an dem die Verstärkung des Operationsverstärkers Einheit erreicht. Dies ist nützlich, da der Benutzer die Open-Loop-Verstärkung des Geräts bei verschiedenen Frequenzen berechnen kann. Der GBP eines Operationsverstärkers ist im Allgemeinen ein Maß für seine Nützlichkeit und Leistung, da Op-Verstärker mit einem höheren GBP verwendet werden können, um eine bessere Leistung bei höheren Frequenzen zu erzielen.,

Dies sind die wichtigsten Parameter, die bei der Auswahl eines Operationsverstärkers in Ihrem Design zu berücksichtigen sind, aber es gibt viele andere Überlegungen, die Ihr Design je nach Anwendung und Leistungsanforderungen beeinflussen können. Weitere gebräuchliche Parameter sind Eingangs-Offset-Spannung, Rauschen, Ruhestrom und Versorgungsspannungen.

Negative Rückkopplung und Closed-Loop-Verstärkung

In einem Operationsverstärker wird eine negative Rückkopplung implementiert, indem ein Teil des Ausgangssignals über einen externen Rückkopplungswiderstand und zurück zum invertierenden Eingang geleitet wird (siehe Abbildung 3).,

Abbildung 3: Negative Rückkopplung mit invertierendem Operationsverstärker

Negative Rückkopplung dient zur Stabilisierung der Verstärkung. Durch die Verwendung einer negativen Rückkopplung kann die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises über externe Rückkopplungskomponenten bestimmt werden, die im Vergleich zu den internen Komponenten des Operationsverstärkers eine höhere Genauigkeit aufweisen können. Dies liegt daran, dass die internen OP-Amp-Komponenten aufgrund von Prozessverschiebungen, Temperaturänderungen, Spannungsänderungen und anderen Faktoren erheblich variieren können., Die Closed-Loop-Verstärkung kann mit Gleichung (2) berechnet werden:

$$ \frac {V_{OUT}}{V_{IN}} = \frac 1 f $$

Operationsverstärker: Vorteile und Einschränkungen

Die Verwendung eines Operationsverstärkers bietet viele Vorteile. Operationsverstärker kommen oft in Form eines IC, und sind weit verbreitet, mit unzähligen wählbaren Leistungsstufen, um die Bedürfnisse jeder Anwendung zu erfüllen. Op-Verstärker haben eine breite Palette von Anwendungen und sind daher ein wichtiger Baustein in vielen analogen Anwendungen — einschließlich Filterdesigns, Spannungspuffern, Komparatorschaltungen und vielen anderen., Darüber hinaus bieten die meisten Unternehmen Simulationsunterstützung wie PSPICE-Modelle an, damit Designer ihre Operationsverstärkerdesigns validieren können, bevor sie echte Designs erstellen.

Die Einschränkungen bei der Verwendung von Operationsverstärkern umfassen die Tatsache, dass es sich um analoge Schaltungen handelt, und erfordern einen Designer, der analoge Grundlagen wie Laden, Frequenzgang und Stabilität versteht. Es ist nicht ungewöhnlich, eine scheinbar einfache Op-Amp-Schaltung zu entwerfen, nur um sie einzuschalten und festzustellen, dass sie oszilliert., Aufgrund einiger der zuvor diskutierten Schlüsselparameter muss der Designer verstehen, wie diese Parameter in sein Design einfließen, was normalerweise bedeutet, dass der Designer über ein moderates bis hohes Maß an analoger Designerfahrung verfügen muss.

Operationsverstärkerkonfigurationstopologien

Es gibt verschiedene Op-Amp-Schaltungen, die sich jeweils in ihrer Funktion unterscheiden. Die häufigsten Topologien werden im folgenden beschrieben.

Spannungsfolger

Die grundlegendste Operationsverstärkerschaltung ist ein Spannungsfolger (siehe Abbildung 4)., Diese Schaltung erfordert im Allgemeinen keine externen Komponenten und bietet eine hohe Eingangsimpedanz und eine niedrige Ausgangsimpedanz, was sie zu einem nützlichen Puffer macht. Da der Spannungseingang und-ausgang gleich sind, führen Änderungen am Eingang zu äquivalenten Änderungen an der Ausgangsspannung.

$$ V_{OUT} = V_{IN} $$

Abbildung 4: Spannung Follower

Die häufigste op amp verwendet in elektronische geräte sind spannung verstärker, die erhöhen die ausgang spannung größe., Invertierende und nichtinvertierende Konfigurationen sind die beiden häufigsten Verstärkerkonfigurationen. Beide Topologien sind Closed-Loop (dh es gibt eine Rückkopplung vom Ausgang zurück zu den Eingangsklemmen), und somit wird die Spannungsverstärkung durch ein Verhältnis der beiden Widerstände eingestellt.

Invertierender Operationsverstärker

Bei invertierenden Operationsverstärkern zwingt der Operationsverstärker den negativen Anschluss, dem positiven Anschluss zu entsprechen, der üblicherweise geerdet ist. Daher wird der Eingangsstrom durch das VIN / R1-Verhältnis bestimmt (siehe Abbildung 5).,

Abbildung 5: Invertierender Operationsverstärker

In dieser Konfiguration fließt derselbe Strom durch R2 zum Ausgang. Idealerweise fließt aufgrund seines hohen ZIN kein Strom in den negativen Anschluss des Operationsverstärkers. Der Strom, der vom negativen Anschluss durch R2 fließt, erzeugt eine umgekehrte Spannungspolarität in Bezug auf VIN. Aus diesem Grund sind diese Operationsverstärker mit einer invertierenden Konfiguration gekennzeichnet., Beachten Sie, dass der Ausgang des Operationsverstärkers nur zwischen seiner positiven und negativen Versorgung schwingen kann, sodass für die Erzeugung einer negativen Ausgangsspannung ein Operationsverstärker mit einer negativen Versorgungsschiene erforderlich ist. VOUT kann mit Gleichung (3) berechnet werden:

$$ V_{OUT} = – \left({R_2} \over {R_1}\right) x V_{IN}$$

Nicht invertierender Operationsverstärker

In einer nicht invertierenden Verstärkerschaltung ist das Eingangssignal der Quelle mit dem nicht invertierenden (+) Anschluss verbunden (siehe Abbildung 6).,

Abbildung 6: Nicht invertierender Operationsverstärker

Der Operationsverstärker zwingt die invertierende (-) Klemmenspannung auf gleich der Eingangsspannung, wodurch ein Stromfluss durch die Rückkopplungswiderstände erzeugt wird. Die Ausgangsspannung ist immer in Phase mit der Eingangsspannung, weshalb diese Topologie als nichtinvertierend bezeichnet wird. Beachten Sie, dass bei einem nicht invertierenden Verstärker die Spannungsverstärkung immer größer als 1 ist, was bei den invertierenden Konfigurationen nicht immer der Fall ist., VOUT kann mit Gleichung (4) berechnet werden:

$$ V_{OUT} = \left(1 + \frac {{R_2}} {R_1}\right) x V_{IN} $$

Spannungskomparator

Ein Operationsverstärker-Spannungskomparator vergleicht Spannungseingänge und treibt den Ausgang mit der Versorgungsschiene an, von welchem Eingang er höher ist. Diese Konfiguration wird als Open-Loop-Betrieb betrachtet, da keine Rückkopplung erfolgt. Spannungskomparatoren haben den Vorteil, dass sie viel schneller arbeiten als die oben diskutierten Closed-Loop-Topologien (siehe Abbildung 7).,

Abbildung 7: Spannungskomparator

So wählen Sie einen Operationsverstärker für Ihre Anwendung

Im folgenden Abschnitt werden bestimmte Überlegungen bei der Auswahl des richtigen Operationsverstärkers für Ihre Anwendung erläutert.

Wählen Sie zunächst einen Operationsverstärker, der Ihren erwarteten Betriebsspannungsbereich unterstützt. Diese Information kann durch Betrachten der Versorgungsspannungen des Verstärkers erhalten werden. Die Versorgungsspannungen sind wahrscheinlich entweder VDD ( + ) und Masse (Einzelversorgung), oder der Verstärker kann sowohl eine positive als auch eine negative Versorgung unterstützen., Eine negative Versorgung ist nützlich, wenn der Ausgang negative Spannungen unterstützen muss.

Betrachten Sie zweitens die Leistung des Verstärkers. Wenn Ihre Anwendung höhere Frequenzen unterstützen muss oder eine höhere Leistung und geringere Verzerrung erfordert, sollten Sie Op-Verstärker mit höheren GBIt / s in Betracht ziehen.

Man sollte auch den Stromverbrauch berücksichtigen, da bestimmte Anwendungen einen Low-Power-Betrieb erfordern können. Die empfohlenen Leistungsanforderungen finden Sie normalerweise im Datenblatt des Teils und werden normalerweise als Versorgungsstrom und Stromverbrauch aufgeführt., Der Stromverbrauch kann auch anhand des Produkts aus Versorgungsstrom und Versorgungsspannung geschätzt werden. Im Allgemeinen haben Op-Verstärker mit niedrigeren Versorgungsströmen eine geringere Leistung und entsprechen einer geringeren Schaltungsleistung.

Bei Anwendungen, die eine höhere Genauigkeit erfordern, sollte der Konstrukteur besonders auf die Eingangs-Offset-Spannung des Verstärkers achten, da diese Spannung zu einem Offset in der Ausgangsspannung des Verstärkers führt.

Operationsverstärker sind in vielen analogen und Leistungsanwendungen weit verbreitet., Die Verwendung eines Operationsverstärkers hat den Vorteil, dass sie allgemein verstanden, gut dokumentiert und unterstützt werden und relativ einfach zu bedienen und zu implementieren sind. Op-Verstärker sind für viele Anwendungen nützlich, z. B. für Spannungspuffer, die Erstellung analoger Filter und Schwellenwertdetektoren. Mit einem besseren Verständnis der wichtigsten Parameter und gängigen Topologien im Zusammenhang mit Operationsverstärkern können Sie diese in Ihren Schaltungen implementieren.

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