Operationsverstärker: Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten Grundschaltungen

586 Pages·2017·26.5 MB·German

by  Joachim Federau (auth.)

Joachim Federau
Operations-
verstärker
Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten
Grundschaltungen
7. Auflage
Operationsverstärker
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03März 2012 | 114. Jahrgang
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Joachim Federau
Operationsverstärker
Lehr- und Arbeitsbuch zu angewandten
Grundschaltungen
7., erweiterte und überarbeitete Auflage
Mit 366 Abbildungen, 8 Tabellen, Beispielen,
Übungen und Aufgaben mit Lösungen
JoachimFederau
Beckdorf-Nindorf,Deutschland
ISBN978-3-658-16372-3 ISBN978-3-658-16373-0(eBook)
DOI10.1007/978-3-658-16373-0
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tebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
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Vorwort zur siebten Auflage
Die überaus positiven Rezensionen zu diesem Buch haben eine Neuauflage sinnvoll er-
scheinenlassen. DieInhaltesindexemplarischunddeshalbweniggeändertworden.Die
aktuelletechnischeGegenwärtigkeitdiesesBucheszeigtsichineinerangemessenenBe-
schreibungvonPC-Schaltungssimulations-Programmen,derAnwendungmodernerRail-
to-Rail-OPs,einemLernprojektzueinemLi-Ion-Akku-LadeschaltreglerundderAuffüh-
runginformativerInternetadressenzumThema.
Zielgruppen für dieses Buch sind insbesondere Autodidakten, Auszubildende in an-
spruchsvollenIndustrieelektronikerberufen,Meister,Techniker,AusbilderundUnterrich-
tende. Es ist als Einstieg in das Fachhochschulstudium im Bereich Elektronik ebenfalls
gutgeeignet.DerLesersollfürdiequalitativeundquantitativeAbschätzungvonElektro-
nikschaltungensensibilisiertwerden.EsistdasZieldesAutors,denLeserindieLagezu
versetzen,SchaltungenaufFunktion,Berechenbarkeit,ÄnderungenundVerbesserungen
beurteilenzukönnen.
DieKonzeptiondesBuchesstütztsichauffolgendePunkte
(cid:2) DieerstendreiKapiteleröffnendasGrundverständnisfürOP-Schaltungenhinsichtlich
Funktion und Berechenbarkeit. Die nächsten Kapitel stellen Vertiefungsübungen dar.
SiekönneninunabhängigerReihenfolgeerarbeitetwerden.
(cid:2) Zu jedem Abschnitt bestehen durchgerechnete Beispiele. Die nachfolgenden Aufga-
benstellungenkönnenohneHilfestellungenweitererPersonennachvollzogenwerden.
HierzuisteinausführlicherLösungsteilvorgesehen.
(cid:2) FürUnterrichtendesinddieLerninhalteundVertiefungsübungeneinesehrguteAnre-
gungfürdieErstellungeigenerneuerAufgaben.
(cid:2) Essind nurKenntnissederfundamentalenElektrotechnikwie Ohm’schesundKirch-
hoff’schesGesetz,PotenzialbetrachtungenundähnlicheGrundlagennotwendig.
(cid:2) Durch den Verständniserwerb soll die Entwicklung eigener Schaltungen erleichtert
werden.Schaltungsprinzipiensollengeneralisiertwerdenkönnen.
(cid:2) Erworbenes Wissen kann durch Netzwerkanalyseprogramme kontrolliert und verifi-
ziert werden. Eine Kurzbeschreibung zu einem attraktiven professionellen Analyse-
V
VI VorwortzursiebtenAuflage
programm liegt vor. Dieses Programm der Firma Linear Technology kann kostenlos
ausdemInternetbezogenwerden.
(cid:2) ZumAbschlussdesBucheswirdeinoffengestaltetes ProjektzueinemLadegerätfür
Li-Ion-Akkusangeboten.DasLadegerätentsprichtdemheutigenFunktionsprinzipei-
nespulsweitenmoduliertenSchaltreglers.DieausführlicheDarstellungzurFunktions-
weiseermöglichteinekomplettephysikalischeDurchdringungder Schaltung.Darauf
aufbauendsolltenTransferleistungenhinsichtlichSchaltungsänderungen,-berechnun-
genund-erweiterungenkeinProblemmehrdarstellen.
DamiteignetsichdiesesBuchfürdieBegleitungvonLehrveranstaltungenundauchganz
besondersfürdasSelbststudium.
Nindorf,imMai2017 JoachimFederau
Was man noch über dieses Buch wissen sollte
DarstellungderSchaltungen
DieSchaltungsdarstellungenvariiereninnerhalbanerkannterNormenmuster.
SowerdeninSchaltungenfürBauteilefolgendeBezeichnungenverwendet:
2k2oder2,2k entspricht2,2k(cid:2)
1M2oder1,2M entspricht1,2M(cid:2)
4R7oder4,7R entspricht4,7(cid:2)usw.
GleichesgiltfürdieBezeichnungvonKondensatoren.
Die Bezeichnung von 2,2k(cid:2) oder 10(cid:2) ist in Schaltungsdarstellungen nicht üblich,
währendin Textseiten dieBezeichnung2k2für2,2k(cid:2)grundsätzlichvermiedenworden
ist.ImTextundinsbesondereinBerechnungsaufgabensinddieGrößenstetseinheitenge-
rechtmitgeführt.
StumpfaufeinanderstoßendeLeitungensindimmerleitendeVerbindungen.Einzusätz-
licheingetragenerKnotenpunkterhöhtmöglicherweisedieLesbarkeiteinerSchaltung.Er
istabernichtnotwendig.KreuzendeLeitungenohneKnotenpunktesindniemiteinander
verbunden.
VII
VIII WasmannochüberdiesesBuchwissensollte
DieLeitungsführungunddieentsprechendenVerbindungen
EinigefachdienlicheHinweise
Der AutorverwendetfürdennichtinvertierendenEingangdesOperationsverstärkersdas
Wort„+Input“undfürdeninvertierendenEingangdenBegriff„(cid:3)Input“.
GrundsätzlichsindalleSpannungenundStrömemitrichtungsorientiertenSpannungs-
undStrompfeilenversehen.PotenzialebesitzenüblicherweisekeineSpannungspfeile.Es
sindSpannungsangaben,diesichaufdasBezugspotenzialvon0Vbeziehen.
Spannungs- und Strombezeichnungen entsprechen der üblichen Norm. Großbuchsta-
bensindfürGleichspannungs-undEffektivwerteverwendetworden.Sinusgrößensindin
derkomplexenRechnungentsprechendderNormmiteinemUnterstrichversehen.Klein-
buchstabenwerdenfürAugenblickswerteverwendet.
DieBezeichnungU bedeutetSpitze-zu-Spitze-WerteinerSpannung.
ss
FolgendeSchreibweisenwerdenangewendet:U =5VoderU=5V .
ss ss
DieEinheitenbezeichnungenV fürdenSpitze-zu-Spitze-WertoderV fürdenEffek-
ss eff
tivwert werden aus Übersichtsgründen ebenfalls benutzt, auch wenn sie nicht unbedingt
normgerechtsind.
Das Multiplikationszeichen wird als „ד unddie Parallelschaltung von Widerständen
mit„||“dargestellt.WertundEinheiteinerphysikalischenGrößewerdennachdenRecht-
schreibregeln getrenntgeschrieben wie z.B. 1,2mA. In komplexerenFormeln wird hier
aber auch noch der Übersicht wegen die tradierte zusammengeführte Schreibweise wie
1,2mA,230V,25mHu.a.verwendet.
Inhaltsverzeichnis
1 Operationsverstärker:KenndatenundFunktion. . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Schaltsymbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.3 Kenndaten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.1 KenndatendesidealenOperationsverstärkers . . . . . . . . . . . . . 2
1.3.2 KenndatentypischerOperationsverstärker. . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Funktionsbeschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.5 Übertragungskennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.6 Schaltsymbol,AufbauundKenndatendes4fach-OPsLM324 . . . . . . . 4
1.7 Beispiele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.8 ÜbungundVertiefung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 OP-GrundschaltungenmitGegenkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 DerinvertierendeVerstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 EigenschaftenvonbeschaltetenOperationsverstärkern . . . . . . . 9
2.1.3 DieFunktionsweisedesinvertierendenVerstärkers . . . . . . . . . 10
2.1.4 BeispielezuminvertierendenVerstärker . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.5 ÜbungundVertiefungzuminvertierendenVerstärker . . . . . . . . 17
2.2 DieAddierschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 DieFunktionsweisederAddierschaltung . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 BeispielezumAddierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4 ÜbungenundVertiefungzuminvertierendenVerstärker
undAddierer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 DieKonstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Lernziele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2 DieFunktionsweisederKonstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 BeispielezurKonstantstromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3.4 ÜbungenundVertiefungzurKonstantstromquelle . . . . . . . . . . 32
IX