Op-Amp Praktische Überlegungen

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Anonim

Op-Amp Praktische Überlegungen

Kapitel 8 - Operationsverstärker


Echte Operationsverstärker haben einige Unvollkommenheiten im Vergleich zu einem "idealen" Modell. Ein echtes Gerät weicht von einem perfekten Differenzverstärker ab. Eins minus Eins darf nicht Null sein. Es könnte einen Offset wie ein analoges Meter haben, das nicht auf Null gesetzt ist. Die Eingänge können Strom ziehen. Die Eigenschaften können mit Alter und Temperatur abweichen. Die Verstärkung kann bei hohen Frequenzen reduziert werden, und die Phase kann sich von Eingang zu Ausgang verschieben. Diese Unvollkommenheit kann in einigen Anwendungen keine bemerkbaren Fehler verursachen, in anderen nicht akzeptable Fehler. In einigen Fällen können diese Fehler kompensiert werden. Manchmal ist ein Gerät höherer Qualität und höherer Kosten erforderlich.

Wie bereits erwähnt, verstärkt ein idealer Differenzverstärker nur die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen. Wenn die zwei Eingänge eines Differenzverstärkers kurzgeschlossen werden sollten (wodurch eine Potentialdifferenz von Null zwischen ihnen gewährleistet wird), sollte sich die Ausgangsspannung für jede zwischen diesen beiden kurzgeschlossenen Eingängen und Masse angelegte Spannung nicht ändern:

Die Spannung, die zwischen einem der Eingänge und Masse liegt, wird in diesem Fall "V -Gleichtakt " genannt und wird als Gleichtaktspannung bezeichnet . Wenn wir diese gemeinsame Spannung variieren, sollte die Ausgangsspannung des perfekten Differenzverstärkers absolut stabil bleiben (keine Änderung des Ausgangs für irgendeine beliebige Änderung des Gleichtakteingangs). Dies führt zu einer Gleichtaktspannungsverstärkung von Null.

Der Operationsverstärker, der ein Differenzverstärker mit einer hohen differentiellen Verstärkung ist, hätte idealerweise auch eine Gleichtaktverstärkung von Null. Im wirklichen Leben ist dies jedoch nicht leicht zu erreichen. Somit haben Gleichtaktspannungen immer einen gewissen Einfluss auf die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers.

Die Leistung eines echten Operationsverstärkers in dieser Hinsicht wird am häufigsten in Bezug auf seine Differenzspannungsverstärkung (wie stark er die Differenz zwischen zwei Eingangsspannungen verstärkt) gegenüber seiner Gleichtaktspannungsverstärkung (wie stark er eine Gleichtaktverstärkung verstärkt) gemessen Stromspannung). Das Verhältnis von ersterem zu letzterem wird als Gleichtaktunterdrückungsverhältnis, abgekürzt CMRR, bezeichnet:

Ein idealer Operationsverstärker mit einer Gleichtaktverstärkung von Null würde eine unendliche CMRR haben. Echte Operationsverstärker haben hohe CMRRs, die allgegenwärtige 741 hat etwas um 70 dB, was in Relation zu etwas mehr als 3.000 liegt.

Da das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis in einem typischen Operationsverstärker so hoch ist, ist die Gleichtaktverstärkung in Schaltungen, in denen der Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung verwendet wird, normalerweise kein großes Problem. Wenn sich die Gleichtakt-Eingangsspannung einer Verstärkerschaltung plötzlich ändern würde, wodurch eine entsprechende Änderung der Ausgabe aufgrund der Gleichtaktverstärkung erzeugt würde, würde diese Änderung der Ausgabe schnell als negative Rückkopplung und differentielle Verstärkung korrigiert werden ( viel größer als Common-Mode-Verstärkung), um das System wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Sicher genug, eine Änderung könnte am Ausgang gesehen werden, aber es wäre viel kleiner als das, was Sie erwarten könnten.

Zu berücksichtigen ist jedoch die Gleichtaktverstärkung bei differenziellen Operationsverstärkern wie Instrumentenverstärkern. Außerhalb des versiegelten Gehäuses des Operationsverstärkers und der extrem hohen differentiellen Verstärkung können wir eine Gleichtaktverstärkung finden, die durch ein Ungleichgewicht der Widerstandswerte eingeführt wird. Um dies zu demonstrieren, führen wir eine SPICE-Analyse an einem Instrumentenverstärker mit kurzgeschlossenen Eingängen (keine Differenzspannung) durch und legen eine Gleichtaktspannung an, um zu sehen, was passiert. Zuerst führen wir die Analyse durch, die die Ausgangsspannung einer perfekt symmetrischen Schaltung zeigt. Wir sollten erwarten, dass sich die Ausgangsspannung nicht ändert, wenn sich die Gleichtaktspannung ändert:

 Instrumentenverstärker v1 1 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10k r3 3 7 10k r4 7 9 10k r5 6 8 10k r6 8 0 10k .dc v1 0 10 1 .print dc v (9) .end 

 v1 v (9) 0.000E + 00 0.000E + 00 1.000E + 00 1.355E-16 2.000E + 00 2.710E-16 3.000E + 00 0.000E + 00 Wie Sie sehen können, ist die Ausgangsspannung v (9) 4.000 E + 00 5.421E-16 ändert sich kaum für eine Gleichtakt-Eingangsspannung von 5.000E + 00 0.000E + 00 (v1), die von 0 6.000E + 00 0.000E + 00 bis 10 Volt reicht. 7000E + 00 0, 000E + 00 8000E + 00 1, 084E-15 9000E + 00 -1, 084E-15 1, 000E + 01 0, 000E + 00 

Abgesehen von sehr kleinen Abweichungen (eigentlich aufgrund der Eigenheiten von SPICE und nicht aufgrund des tatsächlichen Verhaltens der Schaltung) bleibt der Ausgang dort stabil, wo er sein sollte: bei 0 Volt, bei einer Eingangsspannungsdifferenz von Null. Lassen Sie uns jedoch ein Widerstandsungleichgewicht in der Schaltung einführen, den Wert von R 5 von 10.000 Ω auf 10.500 Ω erhöhen und sehen, was passiert (die Netzliste wurde der Kürze halber weggelassen - die einzige Änderung ist der Wert von R 5 ):

 v1 v (9) 0, 000E + 00 0, 000E + 00 1, 000E + 00 -2, 439E-02 2, 000E + 00 -4, 878E-02 3, 000E + 00 -7, 317E-02 Diesmal sehen wir eine signifikante Variation von 4.000E + 00 -9.756E-02 (von 0 bis 0.2439 Volt) in der Ausgangsspannung 5.000E + 00 -1.220E-01, da die Gleichtakt-Eingangsspannung 6.000E + 00 -1.463E-01 von 0 auf 10 Volt überstreicht Vor. 7000E + 00 -1, 707E-01 8000E + 00 -1, 951E-01 9000E + 00 -2, 195E-01 1, 000E + 01 -2, 439E-01 

Unsere Eingangsspannungsdifferenz ist immer noch null Volt, jedoch ändert sich die Ausgangsspannung signifikant, wenn die Gleichtaktspannung geändert wird. Dies ist ein Hinweis auf eine Gleichtaktverstärkung, die wir vermeiden möchten. Mehr noch, es ist ein Selbstzweck-Gewinn, der nichts mit Unvollkommenheiten in den Operationsverstärkern selbst zu tun hat. Mit einer stark erhöhten differentiellen Verstärkung (in dieser Schaltung tatsächlich gleich 3) und ohne negative Rückkopplung außerhalb der Schaltung wird diese Gleichtaktverstärkung bei einer Instrumentensignalanwendung nicht geprüft.

Es gibt nur eine Möglichkeit, diese Gleichtaktverstärkung zu korrigieren, nämlich alle Widerstandswerte auszugleichen. Wenn ein Instrumentenverstärker aus diskreten Komponenten konstruiert wird (anstatt einen in einem integrierten Paket zu kaufen), ist es ratsam, einige Mittel vorzusehen, um Feineinstellungen an mindestens einem der vier mit dem End-Operationsverstärker verbundenen Widerstände vorzunehmen, um " trimmen "jede solche Gleichtaktverstärkung. Die Bereitstellung der Mittel zum "Trimmen" des Widerstandsnetzwerkes hat auch zusätzliche Vorteile. Angenommen, alle Widerstandswerte sind genau so, wie sie sein sollten, aber eine Gleichtaktverstärkung existiert aufgrund einer Unvollkommenheit in einem der Operationsverstärker. Mit der Einstellmöglichkeit könnte der Widerstand getrimmt werden, um diese unerwünschte Verstärkung zu kompensieren.

Eine Eigenart einiger Operationsverstärker-Modelle ist die des Ausgangs- Latch-Up, die gewöhnlich dadurch verursacht wird, dass die Eingangsspannung des Common-Mode die zulässigen Grenzen überschreitet. Wenn die Gleichtaktspannung außerhalb der vom Hersteller angegebenen Grenzwerte liegt, kann der Ausgang im Modus "Hoch" plötzlich "verriegeln" (Sättigung bei voller Ausgangsspannung). In JFET-Eingangsoperationsverstärkern kann ein Latch-Up auftreten, wenn sich die Gleichtakt-Eingangsspannung zu nahe an die negative Stromversorgungsschienenspannung annähert. Beim Operationsverstärker TL082 zum Beispiel tritt dies auf, wenn die Gleichtakt-Eingangsspannung innerhalb von etwa 0, 7 Volt der negativen Stromversorgungsschienenspannung liegt. Solch eine Situation kann leicht in einer Einzelversorgungsschaltung auftreten, wo die negative Stromversorgungsschiene Masse (0 Volt) ist und das Eingangssignal frei ist, auf 0 Volt zu schwingen.

Latch-up kann auch ausgelöst werden, wenn die Gleichtakt-Eingangsspannung die Versorgungsschienenspannungen, negativ oder positiv, überschreitet . In der Regel sollten Sie niemals zulassen, dass die Eingangsspannung über die positive Versorgungsspannung steigt oder unter die negative Versorgungsspannung sinkt, auch wenn der betreffende Operationsverstärker gegen Einklinken geschützt ist (wie bei der 741 und 1458 Operationsverstärkermodelle). Zumindest kann das Verhalten des Operationsverstärkers unberechenbar werden. Im schlimmsten Fall kann die Art von Latch-up, die durch Eingangsspannungen ausgelöst wird, die die Stromversorgungsspannungen überschreiten, für den Operationsverstärker zerstörend sein.

Während dieses Problem leicht zu vermeiden scheint, ist seine Wahrscheinlichkeit wahrscheinlicher als Sie vielleicht denken. Betrachte den Fall einer Operationsverstärkerschaltung während des Hochfahrens. Wenn die Schaltung die volle Eingangssignalspannung empfängt, bevor ihre eigene Stromversorgung genug Zeit hatte, um die Filterkondensatoren aufzuladen, kann die Gleichtakt-Eingangsspannung die Stromversorgungsschienenspannungen für eine kurze Zeit leicht überschreiten. Wenn der Operationsverstärker eine Signalspannung von einer Schaltung empfängt, die von einer anderen Stromquelle gespeist wird, und seine eigene Stromquelle ausfällt, können die Signalspannung (en) die Stromversorgungsschienenspannungen für unbestimmte Zeit überschreiten!

Ein anderes praktisches Problem für die Operationsverstärkerleistung ist der Spannungsversatz . Das heißt, der Effekt, dass die Ausgangsspannung etwas anderes als Null Volt hat, wenn die zwei Eingangsanschlüsse miteinander kurzgeschlossen sind. Denken Sie daran, dass Operationsverstärker vor allem Differenzverstärker sind: Sie sollen den Spannungsunterschied zwischen den beiden Eingangsanschlüssen verstärken und nicht mehr. Wenn diese Eingangsspannungsdifferenz genau null Volt beträgt, würden wir (idealerweise) erwarten, dass genau null Volt am Ausgang vorhanden sind. In der realen Welt passiert dies jedoch selten. Selbst wenn der betreffende Operationsverstärker eine Gleichtaktverstärkung von Null aufweist (unendlicher CMRR), ist die Ausgangsspannung möglicherweise nicht auf Null, wenn beide Eingänge zusammen kurzgeschlossen sind. Diese Abweichung von Null heißt Offset .

Ein perfekter Operationsverstärker würde genau null Volt ausgeben, wenn seine Eingänge kurzgeschlossen und geerdet sind. Die meisten Operationsverstärker von der Stange werden jedoch ihre Ausgänge auf ein gesättigtes Niveau, entweder negativ oder positiv, bringen. In dem oben gezeigten Beispiel ist die Ausgangsspannung bei einem Wert von positiven 14, 7 Volt gesättigt, nur etwas weniger als + V (+15 Volt) aufgrund der positiven Sättigungsgrenze dieses speziellen Operationsverstärkers. Da der Offset in diesem Operationsverstärker den Ausgang zu einem vollständig gesättigten Punkt treibt, gibt es keine Möglichkeit zu sagen, wie viel Spannungsoffset am Ausgang vorhanden ist. Wenn das + V / -V-Split-Netzteil eine ausreichend hohe Spannung hat, wer weiß, vielleicht würde der Ausgang aufgrund der Auswirkungen des Offsets mehrere hundert Volt betragen!

Aus diesem Grund wird die Offset-Spannung üblicherweise ausgedrückt als äquivalente Menge der Eingangsspannungsdifferenz, die diesen Effekt erzeugt. Mit anderen Worten stellen wir uns vor, dass der Operationsverstärker perfekt ist (keinerlei Offset), und eine kleine Spannung wird in Reihe mit einem der Eingänge angelegt, um die Ausgangsspannung in die eine oder andere Richtung von Null weg zu zwingen. Da die differenziellen Verstärkungen des Operationsverstärkers so hoch sind, muss die Zahl für die Eingangsoffsetspannung nicht viel ausmachen, um zu berücksichtigen, was wir bei kurzgeschlossenen Eingängen sehen:

Offset-Spannung neigt dazu, leichte Fehler in jeder Operationsverstärkerschaltung einzuführen. Wie kompensieren wir das? "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/03063.png">

Bei einzelnen Operationsverstärkern wie dem 741 und dem 3130 sind die Offset-Null-Verbindungspunkte die Pins 1 und 5 auf dem 8-Pin-DIP-Paket. Andere Operationsverstärkermodelle können die Offset-Null-Verbindungen auf verschiedenen Pins haben und / oder erfordern eine leicht unterschiedliche Konfiguration der Trim-Potentiometerverbindung. Einige Operationsverstärker bieten keine Offset-Null-Pins! Einzelheiten finden Sie in den Spezifikationen des Herstellers.

Eingänge an einem Operationsverstärker haben extrem hohe Eingangsimpedanzen. Das heißt, die Eingangsströme, die in die zwei Eingangssignale eines Operationsverstärkers eintreten oder diese verlassen, sind extrem klein. Für die meisten Zwecke der Operationsverstärker-Schaltungsanalyse behandeln wir sie so, als ob sie gar nicht existieren würden. Wir analysieren die Schaltung so, als würde absolut kein Strom in die Eingangsanschlüsse eintreten oder diese verlassen.

Dieses idyllische Bild ist jedoch nicht ganz richtig. Operationsverstärker, insbesondere solche Operationsverstärker mit bipolaren Transistoreingängen, müssen eine gewisse Menge an Strom durch ihre Eingangsanschlüsse haben, damit ihre internen Schaltungen richtig vorgespannt werden. Diese Ströme werden logisch Vorspannungsströme genannt . Unter bestimmten Bedingungen können Operationsverstärker-Vorspannungsströme problematisch sein. Die folgende Schaltung veranschaulicht eine dieser Problembedingungen:

Auf den ersten Blick sehen wir keine offensichtlichen Probleme mit dieser Schaltung. Ein Thermoelement, das eine kleine Spannung erzeugt, die proportional zur Temperatur ist (tatsächlich eine Spannung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Messstelle und der "Referenzstelle", die gebildet wird, wenn die Thermodrähte der Legierung mit den zum Operationsverstärker führenden Kupferdrähten verbunden sind) der Operationsverstärker entweder positiv oder negativ. Mit anderen Worten, dies ist eine Art Komparatorschaltung, die die Temperatur zwischen dem Ende der Thermoelementverbindung und der Vergleichsstelle (in der Nähe des Operationsverstärkers) vergleicht. Das Problem ist folgendes: Die Drahtschleife, die durch das Thermoelement gebildet wird, bietet keinen Pfad für beide Eingangs-Bias-Ströme, da beide Bias-Ströme versuchen, auf die gleiche Weise zu gehen (entweder in den Operationsverstärker hinein oder aus ihm heraus).

Damit diese Schaltung ordnungsgemäß funktioniert, müssen wir eine der Eingangsleitungen erden und somit für beide Ströme einen Pfad zu (oder von) Erde bereitstellen:

Nicht unbedingt ein offensichtliches Problem, aber ein sehr reales!

Ein anderer Weg, bei dem Eingangsbiasströme auftreten können, besteht darin, dass unerwünschte Spannungen über die Schaltungswiderstände abfallen. Nehmen Sie diese Schaltung zum Beispiel:

Wir erwarten, dass eine Spannungsfolgerschaltung wie die obige genau die Eingangsspannung am Ausgang reproduziert. Aber was ist mit dem Widerstand in Reihe mit der Eingangsspannungsquelle? // www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-5/junction-field-effect-transistors-jfet/">FET oder MOSFET (IGFET) Eingang op- Verstärker anstelle von einem mit Bipolartransistoren gebaut (für weniger Eingangsruhestrom). Aber selbst dann, welche geringen Bias-Ströme bleiben können, können Messfehler auftreten, so dass wir einen Weg finden müssen, sie durch gutes Design zu mindern.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, basiert auf der Annahme, dass die zwei Eingangsruheströme gleich sind. In der Realität sind sie oft fast gleich, der Unterschied zwischen ihnen wird als Eingangs-Offset-Strom bezeichnet . Wenn sie gleich sind, dann sollten wir in der Lage sein, die Auswirkungen des Spannungsabfalls des Eingangswiderstands aufzuheben, indem wir einen gleichen Widerstandswert in Reihe mit dem anderen Eingang einfügen, wie folgt:

Mit dem zusätzlichen Widerstand, der zu der Schaltung hinzugefügt wird, wird die Ausgangsspannung näher an Vin sein als vorher, selbst wenn es einen Versatz zwischen den zwei Eingangsströmen gibt.

Sowohl für die invertierenden als auch die nicht invertierenden Verstärkerschaltungen ist der Vorspannungsstrom-Kompensationswiderstand in Reihe mit dem nichtinvertierenden (+) Eingang angeordnet, um Vorspannungsstromspannungsabfälle im Teilernetzwerk zu kompensieren:

In jedem Fall wird der Kompensationswiderstandswert bestimmt, indem der Parallelwiderstandswert von R 1 und R 2 berechnet wird. Warum ist der Wert gleich dem parallelen Äquivalent von R 1 und R 2 "//www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/03233.png">

Hier bezeichnen Pfeile den Weg des Elektronenflusses durch die Stromversorgungsbatterien, sowohl zum Versorgen der internen Schaltung des Operationsverstärkers (das "Potentiometer" darin, das die Ausgangsspannung steuert) als auch zum Speisen der Rückkopplungsschleife der Widerstände R 1 und R 2 . Angenommen, die Masseverbindung für diese "geteilte" DC-Stromversorgung sollte entfernt werden. Der Effekt dabei ist tiefgreifend:

Es dürfen keine Elektronen in den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers hinein- oder aus ihm heraus fließen, da der Weg zur Stromversorgung ein "toter Punkt" ist. Somit fließen keine Elektronen durch die Masseverbindung links von R 1, auch nicht durch die Rückkopplungsschleife . Dies macht den Operationsverstärker effektiv unbrauchbar: er kann weder Strom durch die Rückkopplungsschleife noch durch eine geerdete Last aufrechterhalten, da keine Verbindung von irgendeinem Punkt der Stromversorgung zur Masse besteht.

Die Bias-Ströme werden ebenfalls gestoppt, da sie auf einen Pfad zur Stromversorgung und zurück zur Eingangsquelle über Masse angewiesen sind. Das folgende Diagramm zeigt die Bias-Ströme (nur), wenn sie durch die Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers gehen, durch die Basisanschlüsse der Eingangstransistoren und schließlich durch die Stromversorgungsanschlüsse und zurück zur Masse.

Ohne eine Bezugsmasse auf der Stromversorgung haben die Ruheströme keinen vollständigen Pfad für eine Schaltung, und sie werden anhalten. Da bipolare Sperrschichttransistoren stromgesteuerte Bauelemente sind, macht dies die Eingangsstufe des Operationsverstärkers ebenfalls unbrauchbar, da beide Eingangstransistoren durch das vollständige Fehlen des Basisstroms in den Sperrzustand gezwungen werden.

  • REZENSION:
  • Operationsverstärkereingänge leiten normalerweise sehr kleine Ströme, sogenannte Bias-Ströme, die benötigt werden, um die erste Transistorverstärkerstufe innerhalb der Operationsverstärker-Schaltung richtig vorzuspannen. Vorspannungsströme sind klein (im Mikroamperebereich), aber groß genug, um in einigen Anwendungen Probleme zu verursachen.
  • Vorspannungsströme in beiden Eingängen müssen Pfade haben, die entweder zu einer der Stromversorgungsschienen oder zu Masse fließen können. Es reicht nicht aus, nur einen leitenden Pfad von einem Eingang zum anderen zu haben.
  • Um Offset-Spannungen auszugleichen, die durch den Vorspannungsstrom verursacht werden, der durch die Widerstände fließt, fügen Sie einfach einen äquivalenten Widerstand in Reihe mit dem anderen Operationsverstärker-Eingang hinzu (der als Kompensationswiderstand bezeichnet wird ). Diese Korrekturmaßnahme basiert auf der Annahme, dass die beiden Eingangsruheströme gleich sind.
  • Jede Ungleichheit zwischen Vorspannungsströmen in einem Operationsverstärker bildet einen sogenannten Eingangs-Offset-Strom .
  • Für einen ordnungsgemäßen Operationsverstärkerbetrieb ist es wichtig, dass an einem Anschluss der Stromversorgung eine Bezugsmasse vorhanden ist, um vollständige Pfade für Vorströme, Rückkopplungsstrom (e) und Laststrom zu bilden.

Als Halbleiterbauelemente unterliegen OP-Verstärker leichten Änderungen im Verhalten bei Änderungen der Betriebstemperatur. Alle Änderungen der Operationsverstärkerleistung mit der Temperatur fallen in die Kategorie der Operationsverstärkerdrift. Driftparameter können für Vorströme, Offsetspannung und dergleichen spezifiziert werden. Einzelheiten zu einem bestimmten Operationsverstärker finden Sie im Datenblatt des Herstellers.

Um die Drift des Operationsverstärkers zu minimieren, können wir einen Operationsverstärker auswählen, der so ausgelegt ist, dass er eine minimale Drift aufweist, und / oder wir können unser Bestes geben, um die Betriebstemperatur so stabil wie möglich zu halten. Die letztere Aktion kann das Bereitstellen einer Form von Temperatursteuerung für das Innere der Ausrüstung beinhalten, in der der Operationsverstärker (die Operationsverstärker) untergebracht sind. Das ist nicht so seltsam, wie es zuerst scheinen mag. Zum Beispiel ist bekannt, dass Laborstandard-Präzisionsspannungsreferenzgeneratoren "Öfen" verwenden, um ihre empfindlichen Komponenten (wie Zenerdioden) bei konstanten Temperaturen zu halten. Wenn eine extrem hohe Genauigkeit gegenüber den üblichen Kosten- und Flexibilitätsfaktoren gewünscht wird, ist dies eine Option, die es wert ist, betrachtet zu werden.

  • REZENSION:
  • Operationsverstärker, die Halbleitervorrichtungen sind, sind anfällig für Temperaturschwankungen. Irgendwelche Variationen in der Verstärkerleistung, die sich aus Temperaturänderungen ergeben, werden als Drift bezeichnet . Drift lässt sich am besten mit einer Temperaturregelung minimieren.

Mit ihren unglaublich hohen differentiellen Spannungsverstärkungen sind OP-Verstärker erste Kandidaten für ein Phänomen, das als Rückkopplungsschwingung bekannt ist . Wahrscheinlich haben Sie den äquivalenten Audioeffekt gehört, wenn die Lautstärke (Verstärkung) an einer öffentlichen Adresse oder einem anderen Mikrofonverstärkersystem zu hoch eingestellt ist: das hohe Quietschen, das aus der Klangwellenform durch das Mikrofon resultiert, um wieder verstärkt zu werden . Eine Operationsverstärkerschaltung kann denselben Effekt aufweisen, wobei die Rückkopplung elektrisch statt hörbar erfolgt.

Ein Fallbeispiel dafür ist der Operationsverstärker 3130, wenn er als Spannungsfolger mit dem Minimum an Verdrahtungsverbindungen (den zwei Eingängen, dem Ausgang und den Stromversorgungsanschlüssen) verbunden ist. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers oszilliert aufgrund seiner hohen Verstärkung unabhängig von der Eingangsspannung. Um dies zu verhindern, muss ein kleiner Kompensationskondensator an zwei speziell vorgesehene Anschlüsse am Operationsverstärker angeschlossen werden. Der Kondensator liefert einen hochohmigen Pfad für eine negative Rückkopplung, die innerhalb der Operationsverstärkerschaltung auftritt, wodurch die AC-Verstärkung verringert und unerwünschte Oszillationen verhindert werden. Wenn der Operationsverstärker zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen verwendet wird, wird dieser Kompensationskondensator möglicherweise nicht benötigt, aber er ist unbedingt erforderlich für den DC- oder Niederfrequenz-AC-Signalbetrieb.

Einige Operationsverstärker, wie das Modell 741, haben einen eingebauten Kompensationskondensator, um den Bedarf an externen Komponenten zu minimieren. Diese verbesserte Einfachheit ist nicht ohne Kosten: aufgrund der Anwesenheit dieses Kondensators innerhalb des Operationsverstärkers neigt die negative Rückkopplung dazu, stärker zu werden, wenn die Betriebsfrequenz ansteigt (die Reaktanz dieses Kondensators nimmt mit höheren Frequenzen ab). Als Ergebnis verringert sich die Differenzspannungsverstärkung des Operationsverstärkers mit steigender Frequenz: Bei höheren Frequenzen wird er zu einem weniger effektiven Verstärker.

Die Hersteller von Operationsverstärkern werden die Frequenzgangkurven für ihre Produkte veröffentlichen. Da eine ausreichend hohe differentielle Verstärkung für einen guten Rückkopplungsbetrieb in Operationsverstärkerschaltungen unbedingt erforderlich ist, begrenzt die Verstärkung / Frequenzantwort eines Operationsverstärkers effektiv seine "Bandbreite" des Betriebs. Der Schaltungsentwickler muss dies berücksichtigen, wenn eine gute Leistung über den erforderlichen Bereich von Signalfrequenzen aufrechterhalten werden soll.

  • REZENSION:
  • Aufgrund von Kapazitäten in Operationsverstärkern neigt ihre Differenzspannungsverstärkung dazu, mit zunehmender Eingangsfrequenz abzunehmen. Frequenzgangkurven für Operationsverstärker sind vom Hersteller erhältlich.

Um die Phasenverschiebung von Eingang zu Ausgang eines Operationsverstärkers (Operationsverstärkers) zu veranschaulichen, wurde der OPA227 in unserem Labor getestet. Der OPA227 wurde in einer typischen nicht-invertierenden Konfiguration konstruiert (FigureBelow).

OPA227 Nicht-invertierende Stufe

Die Schaltungskonfiguration erfordert eine Signalverstärkung von ≅34 V / V oder ≅50 dB. Die Eingangserregung bei Vsrc wurde auf 10 mVp eingestellt, und drei Frequenzen von Interesse: 2, 2 kHz, 22 kHz und 220 MHz. Die Gain- und Phasenkurve des OPA227 im Vergleich zur Frequenz ist in Abbildung 5 dargestellt.

A V und Φ vs. Frequenzplot

Um die Phasenverschiebung des geschlossenen Regelkreises vom Eingang zum Ausgang vorherzusagen, können wir die offene Regelkreisverstärkung und Phasenkurve verwenden. Da die Schaltungskonfiguration eine Verstärkung des geschlossenen Regelkreises oder 1 / & bgr; von & ap; 50 dB erfordert, schneidet die Regelkreisverstärkungskurve die offene Regelkreisverstärkungskurve bei ungefähr 22 kHz. Nach diesem Schnittpunkt rollt die Verstärkungskurve mit geschlossener Schleife bei typischen 20 dB / Dekade für Spannungsrückkopplungsverstärker ab und folgt der Verstärkungskurve mit offener Schleife.

Was hier tatsächlich funktioniert, ist die negative Rückkopplung von der geschlossenen Schleife modifiziert die offene Schleife Antwort. Durch Schließen der Schleife mit negativer Rückkopplung wird ein Pol bei 22 kHz geschlossen. Ähnlich wie der dominante Pol in der offenen Schleife der Phasenkurve werden wir eine Phasenverschiebung in der Antwort mit geschlossener Schleife erwarten. Wie viel Phasenverschiebung wir "# 53006.jpg"> unten sehen, ist auf 2, 2 kHz eingestellt, und es ist keine merkliche Phasenverschiebung vorhanden. FigureBelow ist auf 220 kHz eingestellt, und ≈ 45 ° der Phasenverschiebung ist aufgezeichnet. Schließlich wird FigureBelow auf 220 MHz eingestellt, und die erwartete 90º Phasenverschiebung wird aufgezeichnet. Die Scope Plots wurden mit einem LeCroy 44x Wavesurfer aufgenommen. Das endgültige Scope-Plot verwendete eine x1-Sonde, wobei der Trigger auf HF-Rejection eingestellt war.

OPA227 Av = 50 dB bei 2, 2 kHz

OPA227 Av = 50 dB bei 22 kHz

OPA227 Av = 50 dB bei 220 kHz