Operationsverstärker: Kompensation, Stabilität und Kennwerte

Rückkopplung (Gegenkopplung)

Rückkopplung (-): Die Gegenkopplung dient dazu, die Verstärkung zu reduzieren, also die Ausgabe der Schaltung.

Vorteile

• Stabilisierung der Verstärkung gegenüber Bauteilvariationen und Polarisation.
• Erhöhung der Bandbreite.
• Reduzierung der Verzerrungen.
• Erhöhung des Eingangswiderstands und Verringerung des Ausgangswiderstands.

Nachteile

• Die gegengekoppelte Verstärkung ist kleiner als die Verstärkung ohne Gegenkopplung.

Frequenzkompensation

Methoden der Kompensation: Bei der Einführung von Kondensatoren oder RC-Gliedern werden die Eigenschaften des Verstärkers so verändert, dass die Schleifenverstärkung und die Phase kontrolliert werden.

a) Dominanter Pol

Durch Einführung eines einpoligen RC-Gliedes wird der niedrigste Pol so verschoben, dass er dominiert. Die anderen Pole (F2 und F3) liegen dann weit oberhalb, wodurch die Verstärkung bei 0 dB stabil wird.

b) Lead-Kompensation

Mit einem RC-Glied (R1 parallel R2 in Serie mit C) wird ein Nullstelle eingeführt und ein einpoliger Verlauf erzeugt, der die Phasenreserve verbessert.

c) Pol-Nullstellen-Kompensation

Durch Einführung eines RC-Gliedes mit einem Pol und einer Nullstelle wird die Phasenreserve erhöht, sodass der Verstärker bei der Schleifenverstärkung von 0 dB stabil bleibt.

Kopplungsarten

Direkte Kopplung: Verbindet die Stufen direkt und lässt auch Gleichspannungen zu. Die Antwort hat gute niedrige Frequenzen und wird in Schaltungen für integrierte Schaltkreise verwendet.

Kapazitive Kopplung: Die Gleichkomponente wird zwischen den Verstärkerstufen nicht übertragen. Notwendig ist die Impedanz des Kondensators, sodass er bei der Arbeitsfrequenz wie ein Kurzschluss wirkt.

Stabilitätskriterium

Kriterium: Ein System ist stabil, wenn bei der Frequenz, bei der die Phase -180° erreicht, das Modul der Schleifenverstärkung unterhalb von 1 liegt.

Verstärkungsreserve (mg):

Die Verstärkungsreserve ist das Modul der Schleifenverstärkung bei der Frequenz, bei der die Phase -180° beträgt. Sie gibt an, wie viel Verstärkung noch erhöht werden kann, während das System stabil bleibt (solange sie unterhalb von 0 dB liegt). Liegt sie oberhalb von 0 dB, ist das System potenziell instabil.

Phasenreserve (mf):

Die Phasenreserve ist die Differenz zwischen -180° und der Phase bei der Frequenz, bei der das Modul der Schleifenverstärkung 0 dB beträgt.

Typische Werte: mg: 10 dB und mf: 50°

Virtuelle Kurzschlüsse

Virtueller Kurzschluss: Wir nehmen an, dass die Ausgangsspannung endlich ist und die Verstärkung unendlich groß ist. Dann wird die Spannungsdifferenz zwischen den Eingangsklemmen sehr klein (0). Virtuelle Kurzschlüsse bedeuten, dass die Eingangsklemmen dasselbe Potential haben.

v_o = A (v2 - v1) ⇒ v2 - v1 = v_o / A = 0 ⇒ v2 = v1

Virtuelle Masse: Setzt man v2 = 0, so ist auch v1 = 0, und der invertierende Eingang erscheint als virtuelle Masse.

Gleichtaktunterdrückung

CMRR = |Ad| / |Ac| Das Verhältnis misst, wie stark die Abweichung vom idealen Verhalten des Differenzverstärkers ist.

Eigenschaften des Operationsverstärkers: Hohe Differenzverstärkung Ad, kleine Gleichtaktverstärkung Ac, hoher Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand gering, große Bandbreite. In der Darlington-Schaltung können die Eingangsströme sehr klein gehalten werden.

Spezifikationen des Operationsverstärkers

• Versorgung: symmetrisch (+5 bis +15 V und -5 bis -15 V)
• Maximale Differenzspannung und Gleichtaktspannung
• Eingang: Leistung von 30 V
• Verlustleistung: maximal abführbar bei Umgebungstemperatur
• Umgebungstemperatur für die Sicherheit

Slew-Rate

Slew-Rate: Die maximale Änderung der Ausgangsspannung pro Zeiteinheit (V/µs). Sie wird für ein Rechtecksignal großer Amplitude mit einem Spannungsfolger ermittelt: SR = min(V/t1, V/t2).

Full-Power-Bandbreite:

Die Full-Power-Bandbreite ist die höchste Frequenz, bei der ein sinusförmiges Signal maximaler Amplitude ohne Verzerrung am Ausgang anliegen kann. Ab dieser Frequenz beginnen Verzerrungen durch die Slew-Rate aufzutreten. Die Verzerrung am Ausgang bei fmax ist auf die Slew-Rate zurückzuführen.