Elektronik  Information


           Anmerkungen und Kommentar zu einigen Details der Operationsverstärker

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Es soll hier keine Verwirrung gestiftet werden.


Die angesprochenen Fragen :
Wie funktioniert eigentlich die "Verstärkungs "- Einstellung beim OPAMP mit zwei Widerständen?
Wie ist das mit der internen Phasendrehung des
OPAMP ?
Wie ist das mit der Offset Spannung?
Warum reduziert die GK den Klirrfaktor ?




Die Antworten :
Umgangssprachlich erfolgt die "Verstärkungs "-Einstellung beim OPAMP mit zwei Widerständen.

Das ist aber genau betrachtet  nicht der Fall, wie im Folgenden erklärt wird.
Der OPAMP arbeitet  IMMER mit voller Leerlaufverstärkung.
Das ist der Grund, weshalb beim Platinenlayout die Wahl der Masse- und Signalbezugspunkte so wichtig ist, um keine
signalfremden Störungen einzukoppeln.




n. inv. Schaltung

1. Betriebsfall  "Nicht -invertierende " Betriebsart

Im n. inv. -Betrieb wird am + Eingang des Op amp gesteuert, die Augangsspannung ist "in Phase", und kommt über den Spannungsteiler R4 / R5
auf den inv. Eingang zurück.

Das Weitere stellt man sich am besten als Regler vor:
Solange der + Eingang des OP amp positiver liegt als der - Eingang, strebt  die Ausgangsspannung zu + Supply .
Umgekehrt: Wäre  der + Eingang des OP amp negativer als der - Eingang, strebt  die Ausgangsspannung zu - Supply.
Dazwischen stellt sich eine Spannung ein am inv. Eingang ein, die fast gleich ist mit der des  n. inv. Eingang,
abzüglich der "effektiven Steuerspannung" = Eingangsdifferenzspannung.

Die Eingangsdifferenzspannung zwischen  inv. Eingang  und n.inv. Eingang beträgt nur noch uV (blaue Linie) für 1V Ausgangsspannung.




Wir sehen im Plot: Die Ausgangsspannung ist exakt 2x die Eingangsspannung, der Phasenversatz beträgt 0 grd.
Die Ausgangsspannung wird über den Spannungsteiler an den inv. Eingang geführt, hat also auch 0 grd Versatz

Dennoch erkennen wir an der blauen Linie der eff. Steuerspannung einen positiven Phasenversatz.
Wie erklärt sich dieses Paradoxon, daß bei gleicher Phasenlage am Eingang und Ausgang die Steuerspannung in der Phase verschoben ist?

Die Antwort ist:
Die exakt gleiche Phase von Eingang zu Ausgang, die man glaubt zu sehen, ist eine Augentäuschung.

Der OP hat in jedem Falle erstmal eine Phasen-Verzögerung durch seine Kompensation.
Diese verzögerte Ausgangsspannung wird geteilt und dem inv. Eingang zugeführt.

Sie ist fast phasengleich mit der Spannung  am n. inv. EIngang aber minimal kleiner:
Diese Differenz ist die effektive Steuerspannung.
Sie beträgt beim Op amp in der Simulation  bei 1kHz und 1V am Ausgang ca.100µV.
Als Verstärkung bei 1kHz ist dabei 10000  angenommen.

Da sich die großen Amplituden der 1kHz gleichpasig kompensieren bleibt noch die Differenz und die hat natürlich die
Phasenverschiebung des OP.

Der rückgekoppelte Teil R4 /R5 bestimmt die Verstärkung 1+ (R4/R5), 
 was man sich durch folgendes Gedankenexpereiment vorstellen kann:
Angenommen, die Spannung am inv Eingang würde größer als die des n.inv.EIngangs, wäre der Inv. Eingang
dominat und die  Ausgangsspannung würde kleiner.
Umgekehrt, würde die Spannung am inv. Eingang kleiner als die des n.inv Eingangs, wäre der n.inv. Eingang dominat und die
Ausgangsspannung würde größer.
Die Spannung am inv. Eingang ist über den Spannungsteiler mit dem Ausgang verbunden, somit ist das Verhältnis
dieser Widerstände bestimmend  für die nach außen wirksame Verstärkung.


2.  Bei der Anwendung des OP  in inv. Schaltung wird jede Eingangsspannung am inv Eingang zu einer gegenphasigen Ausgangsspannung,
die über den Knoten des Spannungsteilers (Quelle - OP-Ausgang ) am inv. Eingang  ein Nullpotential  (= n.inv.  Eingang)  einregelt.
Damit ist das Verhältnis von Eingangsspannung -Ausgangsspannung durch die Widerstände definiert.




inv. Schaltung



Wir sehen: Die Ausgangsspannung ist exakt invers zur Eingangsspannung, der Phasenversatz also 180grd.

    Die effektive Eingangsspannung (blaue Kurve ) betrachtet, erkennt man hier wieder einen positiven Phasenversatz
     (Phase eilt vor),  das muß auch so sein, denn im Verstärker wird die Phase zwangsläufig durch die Kompensation
        verzögert,  damit kommt die Gegenkopplung später.

Man beachte die Dimensionen der Amplituden:
Bei einer Ausgangsspannung von 1V bei 1kHz beträgt die effektive Steuerspannung nur 100µV !

Das ist auch das Phänomen des "Virtuellen Massepunktes" am inv. Eingang des OP, der die rückwirkungsfreie Mischung von Signalen im inv. Betrieb ermöglicht.


Die interne Phasendrehung = Verzögerung des OP
tritt also nicht am Ausgang des OP auf, sondern durch die Gegenkopplung an der effektiven Eingangsspannung
als "voreilende " Phase - die genauso groß ist wie die interene Phasendrehung des Op durch dessen Kompensation.




Wie ist das mit der Offset-Spannung?

Die "Offset Spannung " des Op tritt nur mit der "wirksamen Verstärkung "am Ausgang auf.
D.h als Beispiel  werden aus  1mV Eingangs-Offset  bei V=100   100mV am Ausgang.

Der Grund ist einleuchtend: Wäre V = 100 über das Widerstandsverhältnis R4 /R5 eingestellt,
würde am Ausgang genau die Spannung entstehen, die die Offsetspannung kompensiert.
Also aus + 1mV  würde  +100mV am Ausgang die über den Spannungsteiler 100 /1   am inv. Eingang  genau die Gegenspannung +1mV am inv Eingang erzeugt
und damit ausgleicht, aber die 100mV Offset bleiben am Ausgang.





Warum werden durch die Gegenkopplung die Verzerrungen reduziert?

Wie im oberen Text  über die Gegenkopplung beschrieben wird die Eingangsdifferenzspannung
um den Betrag der Leerlaufverstärkunng/ Gk  reduziert.
Das heißt die Aussteuerung findet nur in einem uV Bereich statt und die Krümmung der Übertragungskennlinie (= Verzerrungen)  werden so reduziert.
Also nicht die GK reduziert - wie oft behauptet - die Verzerrungen, sondern dieses ist eine Folge des winzigen Aussteuerungsbereichs der Verstärkerschaltung damit linearer - = Weniger Klirr.

Die frequenzabhängigkeit der Leerlaufverstärkung
Wie oben erwähnt ist die Differenzspannung der Eingänge des OP die treibende Kraft.

Wenn - durch die unvermeidbare Kompensation - die Leerlaufverstärkung nach höheren Frequenzen reduziert wird,
bedeutet das, daß eine größere Differenzspannung für die Aussteuerung an den Eingängen liegen muß,
was zu höheren Verzerrungen führt, im gleichen Maß wie die Verstärkung abnimmt.

In den Datenblättern des  OPA 134 ist dieser Verlauf gut dokumentiert.
Mit steigender Frequenz sinkt die Leerlaufverstärkung, damit muß die effektive Steuerspannung zwischen den Eingängen
größer werden, was einen größeren Bereich der Übertragungs-Kennlinie bedeutet und damit ansteigende Unlinearität.
Damit nimmt mit der Frequenz  der  Klirr zu.
An der Gegenkopplung wird nichts geändert .

Das gilt übrigens für alle Anwendungen der Gegenkopplung - auch bei Röhrenverstärkern !