TER LABORGEFLÜSTER LABORGEFLÜSTER LABORGEFLÜSTER LABO + + _ T1 T2 _ 040318 - 2 - 12 040318 - 2 - 11 Bild 1. Der Eingang eines Opamps besteht meist aus einem Differenzverstärker. Bild 2. Innenschaltung eines Opamps, hier eines NE5532. Opamp-Eingangsspannungsbereich tung nicht korrekt. Die ersatzweise gezeichneten Kollektor-Widerstände werden im Opamp durch Transistoren nachgebildet, weil sich Transistoren leichter integrieren lassen. Auch diese Transistoren brauchen eine bestimmte Mindestspannung, um ihre Aufgabe zu erfüllen. Wenn nun die Basisspannung des Differenzverstärkers gleich oder sogar höher als die Betriebsspannung ist, kann die Kollektorspannung nicht viel niedriger sein; sie liegt in der Praxis um ungefähr 0,4 V bis 0,5 V unter der Basisspannung. Der Spannungsabfall an den Transistoren, die den Kollektor-Widerstand bilden, reicht dann nicht mehr aus, um diese funktionieren zu lassen. Fazit: Wenn man diese Schaltungsarchitektur anwendet, muss die Eingangsspannung immer etwas höher als die negative und etwas niedriger als die positive Betriebsspannung sein. In den Opamp-Datenblättern ist der zulässige Eingangsspannungsbereich unter den “Electrical Characteristics” als “Input Voltage Range”, “Input Common mode Voltage range” oder unter einer ähnlichen Bezeichnung angegeben. Bild 3 gibt einen Auszug aus dem Datenblatt des Opamp 741 wieder. Daraus ist ersichtlich, dass der Hersteller den Eingangs- Von Karel Walraven Monat für Monat erreichen relativ viele Schaltungsvorschläge aus unterschiedlichen Quellen die Elektor-Redaktion. Dabei fällt auf, dass bei Schaltungen mit Operationsverstärkern häufig der zulässige Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich nicht beachtet wird. Grund genug, im Laborgeflüster auf dieses Problem einzugehen. Operationsverstärker und Komparatoren (vereinfacht sind dies besonders schnelle Operationsverstärker, die jedoch weniger linear arbeiten und mehr rauschen), sind intern fast immer als so genannte Differenzverstärker geschaltet. In Bild 1 ist der prinzipielle Aufbau einer solchen Stufe dargestellt, und Bild 2 zeigt die Realisierung am Beispiel des Opamp NE5532. Differenzverstärker sind nicht nur in Opamps zu finden, man begegnet ihnen beispielsweise auch in den Schaltungen von Audio-Endstufen. Wegen der höheren Leistungen sind sie dort meistens diskret aufgebaut. Differenzverstärker können auch mit FETs anstelle bipolarer Transistoren bestückt sein, an 62 der prinzipiellen Arbeitsweise ändert dies nichts. Ein Differenzverstärker kann seine nur Aufgabe erfüllen, wenn über die Transistoren T1 und T2 Strom fließt. Dazu muss bekanntlich die Basis-Emitter-Spannung mindestens etwa 0,6 V betragen. An der Stromquellen-Schaltung, die in der Emitter-Leitung liegt, muss ebenfalls eine bestimmte Mindestspannung liegen, wenn sie korrekt arbeiten soll. Daraus lässt sich schließen, dass diese Grundschaltung nur dann ihren Zweck erfüllen kann, wenn die Basisspannung an den beiden Transistoren mindestens 1 V bis 1,5 V beträgt (gegenüber der negativen Betriebsspannung). Auch wenn die Basisspannungen zu hoch sind, arbeitet die Schal- spannungsbereich bei der Betriebsspannung ±15 V mit ±13 V angibt. Für den Fall, dass die Exemplarstreuungen an den äußersten Grenzen liegen, werden nur noch ±12 V als Eingangsspannungsbereich garantiert. Mit anderen Worten: Die Eingangsspannung muss die negative Betriebsspannung (sie kann auch Null sein!) stets um mindestens 2 V übersteigen, außerdem muss sie immer mindestens um 2 V unter der positiven Betriebsspannung liegen. Wenn diese Regel nicht berücksichtigt wird, ist das Betriebsverhalten der Schaltung unvorhersehbar! Die Opamp-Entwickler waren von Anfang an bemüht, den Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich zu erweitern. Durch andere Schaltungsarchitekturen entstanden Opamps, deren untere Grenze gleich der negativen Betriebsspannung ist (Beispiel: LM324; hier sind sogar Eingangsspannungen erlaubt, die einige zehn Volt unter der negativen Betriebsspannung liegen!). Parallel dazu wurden auch Opamps entwickelt, deren obere Grenze gleich der positiven Betriebsspannung ist (Beispiele: TL084 und LF357). Seit einigen Jahren stehen so genannte “Rail to rail”-Opamps zur Verfügung, elektuur - 3/2005 Anzeige RGEFLÜSTER LABORGEFLÜSTER Electrical Characteristics Parameter Conditions LM741A Min Input Offset Voltage LM741 Typ Max 0.8 3.0 Min LM741C Typ Max 1.0 5.0 Min Units Typ Max 2.0 6.0 TA = 25 C RS ≤ 10 kΩ RS ≤ 50Ω mV mV TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX RS ≤ 50Ω 4.0 mV RS ≤ 10 kΩ 6.0 Average Input Offset 7.5 15 mV V/ C Voltage Drift Input Offset Voltage TA = 25 C, VS = ± 20V ± 10 ± 15 ± 15 mV Adjustment Range Input Offset Current TA = 25 C 3.0 TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX Average Input Offset 30 20 200 70 85 500 20 200 nA 300 0.5 nA nA/ C Current Drift Input Bias Current TA = 25 C 30 TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX Input Resistance 80 80 0.210 TA = 25 C, VS = ± 20V 1.0 TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX, 0.5 6.0 500 80 500 1.5 0.3 2.0 0.8 0.3 2.0 nA A MΩ MΩ VS = ± 20V Input Voltage Range ± 12 TA = 25 C TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX ± 12 ± 13 V ± 13 V 040318 - 2 - 13 Bild 3. Der Eingangsspannungsbereich ist im Datenblatt (hier eines 741) angegeben. die mit beliebigen Eingangsspannungen arbeiten, so lange der Bereich der Betriebsspannungen nicht überschritten wird. Der dafür zu zahlende Preis ist meistens eine wesentlich niedrigere maximale Betriebsspannung; beim 741 beträgt sie ±36 V. In Tabelle 1 sind die Daten einiger bekannter Opamps einander gegenübergestellt. In den Typenbezeichnungen der Opamps waren früher die ersten Buchstaben das Kennzeichen des Herstellers, die nachfolgende Zahl gab den Opamp-Typ an. Inzwischen hat die HalbleiterIndustrie Neuauflagen ihrer bewährten Opamp-Oldtimer auf den Markt gebracht, die besondere Eigenschaften mitbringen. Beispielsweise gibt es den LM324 auch in den Versionen LP324 (LP2902) und LMV324. “LP” bedeutet “Low power”; der Strombedarf dieses Typs beträgt im Vergleich zur Standard-Ausführung weniger als ein Zehntel. Allerdings ist der LP324 um etwa den Faktor 10 langsamer als die Standard-Ausführung LM324, und seine Ausgänge können weniger hohe Ströme liefern. Der LMV324 ist eine “Low voltage”Version des LM324. Seine maximale Betriebsspannung beträgt 5,5 V (andere Typen: 32 V), er nimmt weniger Strom auf, seine Ausgänge können weniger Strom liefern, er ist jedoch ebenso schnell wie die Standard-Ausführung LM324. In den TypenBezeichnungen dieser drei Versionen ist zwar die gleiche Zahl enthalten, die Eigenschaften sind jedoch höchst unterschiedlich. Generell gilt, dass man im Zweifelsfall immer das Datenblatt des Herstellers zu Rat ziehen sollte. (040318-2)gd Tabelle 1. Eingangsspannungsbereich Opamp LM741 LM324, LM358, LM2902 LF356, LF357 TL061…TL084 TLC271… TLC274 TS924 3/2005 - elektuur über V– 2 0 3 3 –0,3 unter V+ 2 1,5 –0,1 0 0,8 0 0 63
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