Bipolar OP Struktur
Grundsätzlicher Aufbau von Operationsverstärkern. Die ersten beiden Stufensind spannungsverstärkend, die Endstufe ist oft ein reiner Stromverstärker.Bei Endstufen aus Bipolar-Transistorenist eine zweite Ansteuerungsleitung (gepunktete Linie) nötig
V+1
V1
V-
V2
I
2I
V+
V-
V+
V-
VIVUVU
Eingangs- Differenzstufe
Zwischenstufe Endstufe
VAus
AusI
Frequenzgang, unbelastet
Differenzverstärkung zweier Operationsverstärker.Die Transitfrequenz ist mit f
t
bezeichnet
(Quelle: National Semiconductors )
Differenzstufe
Differenzstufe mit Bipolar-Transistoren.
Sie besteht aus zwei gegengekoppelten Emitterschaltungen,die durch eine gemeinsame Stromsenke (Transistor T
3)
verbunden sind
V1 V2
RC1 RC2
V+
V-
VRef
VDiff
T1 T2
T3
IB3
Differenzstufe, Kleinsignal
Kleinsignal-Ersatzschaltbild der in Differenzstufe. Es kommt ohne den Transistor T3 aus, wenn
man diesen als ideale Stromsenke betrachtet. iB1
und i
B12 sind Basisströme der Transistoren T
1
und T2
rBE
RC
rBE
1u 2uuDiff
B1 βiB2
iB1 iB2RE
(r )CE
RE
RC
CE(r )βi
Endstufe
Bipolare Endstufe, aus drei Teilen bestehend:
1. Pegel-Verschiebung und Verstärkung,
2. Signalteilung für den NPN- und den PNP-Transistor der Endstufe,
3. Stromverstärkung in einer Gegentakt-Kollektorschaltung
VDiff
V+
VAus
B1R
B2R
V-
V1R
V2R
MOS Differenzstufe
In integrierten Schaltungen weit verbreitete CMOS-Differenzstufe.
Die Versorgungsanschlüsse werden oft mit V
DD wie Drain-Drain
und V
SS wie Source-Source
bezeichnet.
V-
V1 V2
V+(V )DD
V- (V )SS
VDiff
VRef T3
T4 T5
MOS OP Struktur
Beispiel eines dreistufigen CMOS-Operationsverstärkers mit zusätzlicher HF-Dämpfung gegen unerwünschtes SchwingenV-
V1 V2
V+(V )DD
V- (V )SS
VRef
V-
VRef
V-
VAus
V+
V-
V-
V+ V+
V-
V+
Differenzstufe Pegel-Trennung HF Dämpfung Endstufe
Berechnung idealer OP Schaltungen
Ersatzschaltung zur Berechnung negativ rückgekoppelter Schaltungen mit idealen Operationsverstärkern. Die gepunktete Linie deutet an, dass das Potenzial fest liegt, ohne dass eine leitende Verbindung zum nicht invertierenden Eingang besteht
V1
-Idealer OP
VAusVEin ZE
Z R
Ein ZEV ZR VAus
V1
8
OP als Trennverstärker
Dreistufiger Tiefpass mit Stromtrennung durch Operationsverstärker.
T1uEin
8
8
8
uAusT2
T3
Sallen-Key-Filter
Aktive Filterschaltung mit einer Rückkopplung in den Eingangszweig hinein
uAus
Z 3
uEin
Z 1
8
Z4
Z 2Vx
i Ein i 2i 3
i 4
metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch
Mehrfach-Rückkopplung
Aktive Filterschaltung mit doppelter Rückkopplung in den Eingangszweig hinein;
hier ein Tiefpass
8
R1
R4
C2
R3
C5
uEin uAus
Vx
metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch metallisch kovalent ionisch
Tiefpass ohne DC Divergenz
Auf der linken Seite ist der einfachst mögliche aktive Tiefpass gezeigt. Dessen Übertragungsfunktion divergiert jedoch bei kleinen Frequenzen.
VAus
RE
CR
VEin
DC Katastrophen-Tiefpass verbesserter Tiefpass
8
VAus
RE
CR
VEin8
RR
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Tiefpass ohne HF Divergenz
Auf der linken Seite ist der einfachst mögliche aktive Hochpass gezeigt. Dessen Übertragungsfunktion divergiert jedoch bei großen Frequenzen. Daher wird der Hochpass rechts verwandt
VAus
VEin
HF Katastrophen-Hochpass
RR
CE
verbesserter Hochpass
8
VAus
RR
8CE RE
VEin
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Lambda-Sonde
Oben:Eine Lambda-Sonde links und ihre Kennlinie rechts. Durch die Löcher dringen Abgaseein und werden mit der Außenluft verglichen(Foto:Bosch)
Unten: Anbindung an die Fahrzeugelektronikdurch Impedanzwandler- und Verstärkerstufe
8
Uλ
8
UA
RMRR
1
0,8
0,4
0,2
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
1,1 11,05 0,95 0,9
0,6
U
0
Spa
nnun
g in
Vol
t
O
Par
tiald
ruck
in b
ar2
λ
λ
mager fett
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Verzögerungszeit und Slew Rate
Anschauliche Bedeutung der Verzögerungszeit Dt. Unter der Verzögerungszeit wird die Zeit bis zum Erreichen der halben Sollspanung am Ausgang verstanden.Im Gegensatz dazu bezeichnet die Slew Rate dV
Aus / d t die Steigung des Anstiegs
Tiefpassverhalten durch die Slew Rate
Dämpfung der Spitze-Spitze-Spannung an einem Spannungsfolger durch die Slew Rate eines Operationsverstärkers bei der Speisung durch ein ideales Rechtecksignal.Für f > f
m werden die Ausgangssignale nur bei gleichbleibender Spannungsamplitude deformiert,
ab f > fm bleiben Dreieckssignale mit immer kleinerer Amplitude
Vielfaches der Frequenz ohne Amplitudenverlust (f / f )m
Ut
t
t
f /2m
fm
Ein
UAus
UAus
Am
plitu
denv
erhä
ltnis
in
Dez
ibel
0,01 0,1 1 10 100
-5
-15
-25
0
-10
-20
-30
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Ausbalancieren von Eingangsstufen
Ausbalancieren der Eingangsströme zur Vermeidung einer von außen aufgezwungenen Offsetspannung
schlecht: sehr unterschiedliche Eingagsströme gut: ausbalancierte Eingagsströme
VAus
CE RE
RR CR
VEin
RR
8
VAus
CE RE
RR CR
VEin
8
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Einfache NMOS Eingangsstufe
Aufgabe:Was bestimmt die Verlustleistung?
Welche Transistoren sind in welchem Betriebszustand?
Kleinsignal-Ersatzschaltbild (die unteren beiden Transistoren seien ideale Stromsenken)?
V
V-
V1 V2
V+(V )DD
V- (V )SS
VDiff
T3
DR DR
V- (V )SS
V+(V )DD
TS
SR
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Einfache NMOS EingangsstufeKleinsignal Ersatzschaltbild
Lösung: Die Transistoren, welche als Stromquellen fungieren fallen heraus. Die gepunkteten Linien geben an, welch Spannungen welche Quellen steuern.
g
uDiff
d2g
d1 gm2
gm1
RDR D
u -u2 S
(g )d3
us
u -u1 S
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Schmitt Trigger
Aufgabe:Invertierender Schmitt-Trigger (links) und dessen Schaltsymbol (rechts).Wo liegen die Umschaltpunkte?
VAus
RE
R2
VEin
R1
VAusVEin
8
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Was macht der Integrator hier?
Aufgabe: Drei Signale, die jeweils an den Eingang eines Umkehr-Integrators gelegt werden.
Welche Signalformen erwarten Sie am Ausgang?
U t
t
Ein
UEin
tUEin t
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Einfache Bipolar Differenzstufe
Aufgabe: Einfache Differenzstufein Bipolar-Technik
Welche Betriebszustände sollten die Transistoren haben?
Zeichnen Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild unter der Annahme, dass der Early-Effekt vernachlässigt werden kann.
V1 V2
RC1 RC2
V+
V-
VRef
T1 T2
T3IB3
VDiff
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Einfache Bipolar DifferenzstufeKleinsignal Ersatzschaltbild
iB3
rBE1
RC1
rBE2
RC2
1u2u
uDiff
iB1 iB2
iB1 iB2
rBE3
iB3
rBE
RC
rBE
RC
1u2u
uDiff
βi B1 B2
iB1 iB2Eu
23
1
βi
ββ
β
Lösung:
Oben ist das Kleinsignal-Ersatzschaltbild einer Differenzstufe mit 1/r
CE = 0 für alle Transistoren
gezeigt.
Das Schaltbild wird deutlich einfacher, wennI
B3 = konst. → i
B3 = 0
angenommen wird und die Bauteile gleiche Parameter haben (unten)
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Bipolar Differenzstufe
Aufgabe:
Nehmen Sie bitte an, dass am Anfang V
1 = V
2 =0 sei.
Dann wird V1 etwas erhöht.
Bitte beschreiben Sie alle Konsequenzen für die Transistoren T
1 bis T
5 , die Stromflüsse in
beiden Zweigen und den Effekt auf V
Diff
V1 V2
V+
V-
VDiff
T1 T2
T3
T4 T5
VRef IB3
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Rechenoperationsverstärker
Aufgabe: Wie müssen die Widerstände gewählt werden, damit die Rechenoperation
VAus
= VP - V
M
ausgeführt wird?
Mit welchen Dimensionierungen kann die Schaltung auch für die allgemeinere Operation
VAus
= a(VP - V
M )
eingesetzt werden?
VAus
RM
RR
VM
R0
VPRP
8
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Aktiver Gleichrichter
Aufgabe: Wie sieht die Kennlinie für
RE = 3 R
R aus?
VAus
RE
RR
DR
DA
VEin
8