Operationsverstärker (eBook)

Grundlagen, Schaltungen, Anwendungen

Matthias Viehmann (Autor)

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2016 | 1. Auflage
274 Seiten
Carl Hanser Fachbuchverlag
978-3-446-45189-6 (ISBN)

Infos

Willkommen in der Welt der Operationsverstärker und Schaltungstechnik. Mit dem Lehrbuch erhalten Einsteiger/-innen und Fortgeschrittene ein unverzichtbares Grundlagenwerk zur Vor- und Nachbereitung von Vorlesungen und Seminaren, zur Vorbereitung auf studentische Laborpraktika sowie zum Selbststudium.
Zahlreiche Übungen und Praxisbeispiele helfen dabei die wesentlichen Eigenschaften und Funktionen von Operationsverstärkern zu verstehen. Nach Abschluss des Lehrbuchs können die wichtigsten Schaltungen berechnet und eine Schaltungsanalyse durchgeführt sowie der Zusammenhang zwischen dem Bauelement und seinen praktischen Anwendungen hergestellt werden.
Aus dem Inhalt:
•Methoden der Schaltungsanalyse
•Erklärung des Prinzips der Gegenkopplung
•Funktionsweise analoger Rechenschaltungen
•Regler-, Filter- und Schwingschaltungen
•Konditionier- und Umsetzschaltungen
•Stabilisierungsschaltungen und Energiemanagement
Über den Autor:
Prof. Dr. Matthias Viehmann unterrichtet an der Hochschule Nordhausen. Vor seiner Berufung zum Professor für Industrieelektronik war er in leitenden Positionen der Elektronikbranche tätig.

Dr.-Ing. Matthias Viehmann ist Professor für Industrieelektronik an der Hochschule Nordhausen.

Inhalt

Inhalt 8
1 Einführung 12
1.1 Historischer Abriss über den Operationsverstärker 12
1.2 Pädagogische Zielstellungen und didaktisches Konzept 13
2 Grundlagen des Operationsverstärkers 15
2.1 Eigenschaften 15
2.1.1 Wirkungsweise und Kenngrößen 15
2.1.2 Gehäusevarianten 30
2.2 OPV-Grundsätze und Schaltungsanalyse 32
2.3 Verstärkergrundschaltungen 34
2.3.1 Prinzip der Gegenkopplung 34
2.3.2 Nichtinvertierender Verstärker und Spannungsfolger 37
2.3.3 Invertierender Verstärker 39
2.4 Kompensationsmaßnahmen und Bauelementoptimierung 40
2.4.1 Eingangsruhestrom-Kompensation 41
2.4.2 Eingangsoffsetspannungs-Kompensation 42
2.4.3 Frequenzgang-Kompensation 43
2.4.4 Optimierung und Funktionsvielfalt 46
3 Anwendungen des Operationsverstärkers 47
3.1 Applikationsvielfalt 47
3.2 Kühlmaßnahmen 48
3.3 Zuverlässigkeitsbetrachtungen 54
4 Analoge Rechenschaltungen 63
4.1 Addierer 63
4.2 Subtrahierer 66
4.3 Integrierer 70
4.4 Differenzierer 74
4.5 Logarithmierer 77
4.6 Potenzierer 82
4.7 Multiplizierer und Dividierer 85
5 Schalter 91
5.1 Komparator 91
5.2 Fensterkomparator 94
5.3 Schmitt-Trigger 96
6 Schwingschaltungen 102
6.1 Astabiler Multivibrator mit Schmitt-Trigger 102
6.2 Dreieck-Rechteck-Oszillator 107
6.3 Spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) 110
6.3.1 VCO1 mit Subtrahierer 111
6.3.2 VCO2 mit summierendem Integrierer 114
6.3.3 VCO3 mit unsymmetrischer Betriebsspannung 117
6.4 Phasenregelkreis (PLL) 122
6.5 Pulsweitenmodulator 126
7 Konditionier- und Umsetzungsschaltungen 129
7.1 Instrumentationsverstärker 129
7.2 Phasenschieber 133
7.3 Gleichrichter 137
7.4 Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer 140
7.4.1 Analog-Digital-Umsetzer 143
7.4.2 Digital-Analog-Umsetzer 149
7.5 Ladungsverstärker 153
7.6 Fotoempfänger 160
7.7 Negative Impedance Converter und Gyrator 163
7.7.1 Negative Impedance Converter 163
7.7.2 Gyrator 164
7.8 Einstellbare Verstärker und Widerstände 167
7.8.1 Einstellbare Verstärker 168
7.8.2 Einstellbare Widerstände und Variation mit DAU 170
8 Reglerschaltungen 177
8.1 Überblick 177
8.1.1 Regelkreis 179
8.1.2 Beschreibungsmöglichkeiten von Systemen 181
8.2 Reglertypen und Schaltungsbeispiele 183
8.3 Reglerentwurf am Beispiel PID 191
8.3.1 Verfahren 192
8.3.2 Reglerbeispiel 193
9 Filterschaltungen 196
9.1 Überblick 196
9.2 Aktive RC-Filter 197
9.2.1 Filter mit Einfachgegenkopplung 201
9.2.2 Filter mit Mehrfachgegenkopplung 202
9.2.3 Filter mit Einfachmitkopplung 207
9.3 Switched-Capacitor-Filter 208
9.3.1 Funktionsprinzip 208
9.3.2 Beispiel SC-Filter 2. Ordnung 210
9.3.3 Integrierte SC-Filter 212
10 Stabilisierungsschaltungen und Energiemanagement 216
10.1 Überblick Spannungsstabilisierung 216
10.1.1 Prinzip der Stabilisierung mit OPV 219
10.1.2 Beispiel Universalspannungsregler 223
10.2 Energy Harvesting am Beispiel Thermogenerator 226
10.3 Energiemanagementsystem mit der Power Management Classification 232
10.4 Konstantstromquellen 238
11 Leistungs-Operationsverstärker 242
11.1 Aufbau und Eigenschaften 242
11.2 Betriebsvarianten 245
11.2.1 Symmetrische Betriebsspannung 245
11.2.2 Unsymmetrische Betriebsspannung 246
11.2.3 Brückenschaltung 249
11.3 Rückkopplungs-Ersatzschaltung 251
Liste der Übungen 256
Literatur 258
Index 262

Textauszug

3	Anwendungen des Operationsverstärkers

Das folgende Kapitel stellt den Auftakt des Buchteils dar, welcher sich mit den Anwendungen des Operationsverstärkers befasst. Neben einigen grundsätzlichen Anmerkungen zur Applikationsvielfalt werden die Notwendigkeit und die Möglichkeiten der Kühlung leistungsintensiver Schaltungen beschrieben. Darüber hinaus sind Zuverlässigkeitsbetrachtungen schaltungstechnischer Anordnungen aufgeführt.

3.1	Applikationsvielfalt

Die Tatsache, dass das Verhalten von Schaltungen mit Operationsverstärker aufgrund seiner nahezu idealen Eigenschaften überwiegend durch die äußeren Schaltungsbestandteile bestimmt wird, sorgt für eine sehr große Applikationsvielfalt. Bei seiner Beschaltung besitzt das Rückkopplungskonzept eine besondere Bedeutung. Die vollständige Darstellung der Vielfalt ist in diesem Buch nicht möglich, sodass die Kapitel 4 bis 11 lediglich häufig verwendete Applikationen behandeln. Die Einteilung der Anwendungen erfolgte dabei nach der Funktion der Schaltung. Diverse Fachbücher, siehe zum Beispiel [6] und [10], sowie Application Notes der Bauelementhersteller, beispielsweise [S1], [S6], [S8] und [S14], und die Datenblätter selbst beinhalten zahlreiche Anwendungsschaltungen.

Grundsätze bei der Beschreibung der Anwendungen in den Kapiteln 4 bis 11

1. Sofern nicht anders erwähnt, wird der Operationsverstärker als ideales und fehlerfreies Bauelement betrachtet.

2. Die verwendete Betriebsspannung wird nicht in jedem Fall mit aufgeführt. Wenn keine anderen Hinweise enthalten sind, erfolgt die Beschaltung mit symmetrischer Betriebsspannung.

3. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde in Schaltungsskizzen teilweise auf Signalquellen und Last verzichtet.

4. Die Werte der Bauelemente R, C und L werden, sofern die Anpassung an die E-Reihen nicht gefordert ist, wie berechnet verwendet.

Die Systematik der Applikationsdarstellungen — Schaltung mit wesentlicher Gesetzmäßigkeit, Herleitung der Gesetzmäßigkeit im Review, Dimensionierungsbeispiel und/oder Übung — wird in einigen Kapiteln durch einen vorangestellten Überblick über das Anwendungsgebiet ergänzt. Die beispielhafte Verwendung von Schaltkreisen mit ihren Datenblättern trägt zur Praxisorientierung bei. Die Themen Verluste und Kühlung sowie Zuverlässigkeit tangieren alle Applikationen, sie werden in den folgenden Abschnitten 3.2 und 3.3 behandelt.

3.2	Kühlmaßnahmen

Der Operationsverstärker weist als halbleiterelektronisches Bauelement Verluste auf, die zu seiner Erwärmung führen und dadurch Einfluss auf seine Lebensdauer sowie auf Rauschen, Offsetspannung und Eingangsströme nehmen. Daraus resultieren die Notwendigkeit einer Verlustanalyse sowie bei Bedarf Maßnahmen zur Reduzierung der Verluste und zur Kühlung. Folgende Verlustvarianten kommen in Halbleiterbauelementen vor: Durchlassverluste, Schaltverluste, Sperrverluste, Ansteuerverluste, Stromwärmeverluste. Das Ziel der Verlustanalyse und der Maßnahmen lautet: Einhaltung der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur ϑjmax unter allen Betriebsbedingungen.

Neben der verlustarmen Dimensionierung im Arbeitspunkt kommen in integrierten, analogen und digitalen Schaltungen folgende Maßnahmen zur Verlustreduzierung zum Einsatz (Auswahl), siehe auch Kapitel 10:

• Nutzung der leistungsdifferenten Betriebsmodi Run, Idle, Sleep (Dynamic Power Management, DPM);

• bedarfsorientierte Variation der Taktfrequenz (Dynamic Clock Scaling, DCS) und der Betriebsspannung (Dynamic Voltage Scaling, DVS);

• temporäre Abschaltung des Taktsignals (Clock Gating) und/oder der Betriebsspannung (Power Gating) von unbenutzten Funktionsblöcken (Sicherung der Prozessdaten im Retention-Register);

• Verwendung verlustarmer Bauelemente, siehe Halbleitermaterialien Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), mit höherer Stromdichte und zulässiger Temperatur sowie Taktfrequenz;

• Verwendung eines programmierbaren Micropower-Operationsverstärkers (Programmable Operational Amplifier), siehe Abschnitt 7.8.

Integrierte Schaltungen besitzen interne Schutzschaltungen gegen das Überschreiten der maximal zulässigen Werte der Verlustleistung PVmax, des Ausgangsstroms Iamax und der Sperrschichttemperatur ϑjmax, siehe auch Abschnitt 11.1. Folgend wird die Kühlung als Maßnahme zur Reduzierung der Sperrschichttemperatur erläutert.

Analogie thermischer und elektrischer Größen sowie Modellierung

Für die Darstellung der thermischen Verhältnisse in bzw. an einem elektronischen Bauelement lässt sich ein elektrisches Modell verwenden, basierend auf der Analogie thermischer und elektrischer Größen gemäß Tabelle 3.1.

Tabelle 3.1 Analogie thermischer und elektrischer Größen

Thermische Größe

Elektrische Größe

Größe

Einheit

Größe

Einheit

Wärmemenge W

Ws, J

Ladung Q

As, C

Wärmestrom P

W

Strom I

A

Temperaturunterschied Δϑ

K

Spannung U

V

Wärmewiderstand Rth

K/W

Widerstand R

V/A, Ω

Wärmekapazität Cth

Ws/K, J/K

Kapazität C

As/V, F

Mithilfe der Größen aus der Tabelle 3.1 lässt sich das elektrische Modell einer thermischen Anordnung mit Chip darstellen, siehe Bild 3.1.

 

Bild 3.1 Elektrisches Modell einer thermischen Anordnung mit Chip

Ausgangspunkt ist die im Chip, speziell in der Sperrschicht (Junction, j) produzierte Verlustleistung PV, welche den Wärmestrom verursacht. Es ergibt sich eine Sperrschichttemperatur ϑj. Der Wärmestrom gelangt über den Wärmewiderstand Rthjc zum Gehäuse (Case, c), welches die Gehäusetemperatur ϑc annimmt. Da im Modellbeispiel ein Kühlkörper (Heat Sink, s) enthalten ist, fließt der Wärmestrom über den Wärmewiderstand Rthcs zum Kühlkörper und anschließend über Rthsa zur Umgebung (Ambient, a), wobei sich die Temperatur ϑs des Kühlkörpers einstellt und die Umgebungstemperatur ϑa vorliegt. Die Angaben mit Relation zum Gehäuse beziehen sich auf seine Ober- oder Unterseite. Die Wärmekapazitäten Cthj, Cthc und Cths bringen das Wärmespeichervermögen zum Ausdruck und beeinflussen die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur, sodass daraus eine thermische Zeitkonstante τth resultiert. Für den thermischen Kreis gelten in Analogie zum elektrischen Kreis die Zusammenhänge (3.1) bis (3.3).

(3.1)

(3.2)

(3.3)

Übung 3.1: Kühlkörpertemperatur

Ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand Rthsa = 1,5 K/W gibt konstant einen Wärmestrom PV = 100 W an die Umgebung ab. Dabei beträgt die Umgebungstemperatur ϑa = 30 °C. Berechnen Sie die Temperatur ϑs des Kühlkörpers!

Lösung:

Die Gleichung (3.1) ist Ausgangspunkt.

Zum Kühlkörper

Der Wärmewiderstand Rthsa des Kühlkörpers ist abhängig vom Material (Kupfer, Aluminium, aktuell auch Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid), von der Oberflächengestaltung (eben, sternförmig, rippenförmig, geschäumt und metallisch blank, schwarz) sowie bei aktiver Kühlung (Axiallüfter, Radiallüfter, Pumpen, Membrankühler) von der Geschwindigkeit und Wärmekapazität eingesetzter Kühlmittel. Weiterhin sind zu beachten: Lage des Kühlkörpers sowie Gehäuseöffnungen zur Vermeidung von Wärmestau und für eine gute Konvektion (bei Bedarf Verwendung Kühlrippengehäuse); guter thermischer Kontakt mit dem Bauelementgehäuse (Wärmeleitpaste und -folien, große Kontaktfläche, flüssiges Lückenfüllmaterial auf Silikonbasis); geringe Oberflächenverschmutzung; Überwachung eingesetzter Lüfter und Pumpen.

Kühlkörperauswahl

Die Schrittfolge zur Auswahl eines Kühlkörpers lautet:

• Ermittlung oder Festlegung der maximal zu erwartenden Umgebungstemperatur (Worst Case);

• Ermittlung der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur und Festlegung ihres Betriebswerts deutlich darunter (Wert hat Einfluss auf Lebensdauer des Bauelements);

• Berechnung der resultierenden Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung;

• Berechnung des Wärmewiderstands des gesamten thermischen Kreises und des notwendigen Wärmewiderstands des Kühlkörpers.

Im stationären Betrieb können die...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 5.9.2016
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik
• Schlagworte: Energy harvesting • Kühlkörperberechnung • OPV • Schaltung • Schaltungsanalyse • Verstärker • Zuverlässigkeitsberechnung
• ISBN-10: 3-446-45189-7 / 3446451897
• ISBN-13: 978-3-446-45189-6 / 9783446451896