Operationsverstärker III:
Die virtuelle Spannung, noch einmal...
und der Einschwingvorgang
Das Inhaltsverzeichnis meiner
Elektronik-Minikurse
Die Philosophie meiner
Elektronik-Minikurse
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Hilfe bei Leserfragen.
(WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort
von Jochen Zilg
Autor:
Thomas Schaerer
Buch 1
Buch 2
Einleitung
Es gibt bereits die beiden Elektronik-Minikurse
Operationsverstärker I und
Operationsverstärker II. Mit diesem
Elektronik-Minikurs über Operationsverstärker kommt ein dritter hinzu,
der das offenbar schwierig zu verstehende Thema über die virtuelle Masse
(GND) bzw. über die virtuelle Spannung, von Schaltungen mit
Operationsverstärkern noch einmal erläutert. Dieses Thema begann in
Operationsverstärker I. Um dem Verständnis
betreffs virtueller Spannung eine zusätzliche Chance zu geben, wird
diese Problematik hier aus einer andern Perspektive erläutert. Wir
betrachten die virtuelle Spannung beim Impedanzwandler (Verstärkung =
1), gehen weiter zum gegengekoppelten Operationsverstärker der die
Eingangsspannung verstärkt und setzen fort bei einem
Leistungs-Operationsverstärker, bei dem zwischen seinem Ausgang und dem
Anschluss einer Last (je nachdem Lautsprecher, Motor, Heizung etc.) der
Leitungswiderstand berücksichtigt werden muss, wobei das
Gegenkopplungsnetzwerk bei der Lastspannung und nicht am Ausgang des
Operationsverstärkers angeschlossen ist. Bei all dem konzetrieren wir
uns einzig und alleine auf die virtuelle Spannung am nichtinvertierenden
Eingang.
Das zweite Thema befasst sich ebenfalls mit einer Fortsetzung aus dem
Elektronik-Minikurs Operationsverstärker I. Es
geht um die Geschwindigkeit des Operationsverstärkers
(Unity-Gain-Bandbreite und Slewrate), wobei uns hier das
Einschwingverhalten interessiert. Es geht darum zu verstehen was am
Ausgang passiert, wenn am Eingang eine steile Impulsflanke auftritt
und wie sich die virtuelle Spannung bzw. die Differenzspannung am Eingang
des Operationsverstärkers bei der selben Situation verhalten.
Auf englisch heisst der Operationsverstärker Operating-Amplifier.
Abgekürzt bezeichnet man ihn auch im deutschsprachigen Raum oft als
Opamp. In meinen Elektronik-Minikursen kommen immer wieder beide
Begriffe, also Operationsverstärker und Opamp, vor.
Die virtuelle Spannung vom Impedanzwandler bis zum Verstärker
bei der nichtinvertierenden Verstärkerschaltung
Der vollständig gegengekoppelte Opamp, der Impedanzwandler mit seiner
typischen Verstärkung von 1, hat eine direkte Verbindung vom Ausgang zum
invertierenden Eingang des Opamps. Ua und die virtuelle Spannung Uv sind
identisch. Es kommt also auf das selbe heraus, ob man einen beliebigen
nicht allzu niederohmigen Widerstand Rx (z.B. 1 k-Ohm) an Ua oder an Uv
anschliesst. Die Spannung über Rx bleibt gleich, weil die
Differenzspannung Ud im eingeschwungenen Zustand des Opamp stets fast 0
V ist.
Fast bedeutet, dass Ud abhängig ist vom Verhältnis der gegengekoppelten
Verstärkung zur Leerlaufverstärkung und damit auch abhängig ist von der
Signalfrequenz an Ue, wie dies bereits in
Operationsverstärker I erklärt ist.
Wir haben es hier einfachheitshalber mit DC-Spannungen (Frequenz = 0 Hz)
zu tun, weshalb hier Ud mit der Spannung VDC gezeichnet wird. Weiter
beschäftigen wir uns nur mit sehr geringen Verstärkungsfaktoren. Die
Leerlaufverstärkung ist dabei extrem hoch. Bei einem Opamp des Typs
LF356 beträgt sie 106 dB, das einem Faktor von 200'000 entspricht.
Alleine diese hohe Leerlaufverstärkung (Open-Loop-Gain) ist praktisch
verantwortlich dafür, dass Ud praktisch 0 VDC ist.
Es muss einem einfach klar sein, wenn bei der gegengekoppelten
Opampschaltung die Eingangsspannung sich ändert, ist es der Hauptzweck
des Opamp
Ud immer auf den möglichst geringen Wert von praktisch 0 VDC hinunter zu
regeln. Auf diesem Hintergrund arbeitet jede Verstärkerschaltung die
mittels Opamps realisiert ist. Was bei dieser Betrachtung
unberücksichtigt bleibt, ist die DC-Offsetspannung des Opamp.
Ue ist im Beispiel in Bild 1 auf 1 VDC eingestellt. Extrem betrachtet
und gemessen mit einem hochauflösenden digitalen Voltmeter, wird man
feststellen, dass Ua geringstfügig grösser ist als Uv bzw. Ue, wenn Rx
an Uv und nicht an Ua angeschlossen ist, weil die Verbindung vom Ausgang
zum invertierenden Eingang halt nicht exakt Null Ohm ist. Diese
verlustbehaftete Verbindung ist mit Rv (Verlustwiderstand)
gekennzeichnet. Uv entspricht Ue und Ua addiert sich aus Uv plus dem
Spannungsabfall über Rv. Damit lernen wir mit Teilbild 1.2 etwas Neues:
Der Opamp führt den eben genannten Regelprozess auch dann aus, wenn
zwischen seinem Ausgang und dem Verbraucher (Rx), wo die Gegenkopplung
ansetzt, eine verlustbehaftete Leitung liegt. Ud bleibt auch so 0 VDC und
die Spannung Uv bleibt unverändert. Genau nach diesem Prinzip arbeitet,
nebenbei erwähnt, eine hochstabile geregelte DC-Spannungsquelle, wenn
die Gegenkopplung nicht am Ausgang des Netzteiles, sondern direkt am
Verbraucher ansetzt. Solche Netzteile haben für eine solche
Feedbackmethode zusätzlich spezielle Sense-Anschlüsse.
Mit dieser Betrachtung befinden wir uns auf dem Weg zum
nichtinvertierenden Verstärker in Teilbild 1.3 und da sehen wir im
Prinzip das selbe Schaltbild wie in Teilbild 1.2. Der einzige
Unterschied besteht darin, dass aus Rv und Rx, R2 und R1 wurde. Mit R2 =
22 k-Ohm und R1 = 10 k-Ohm wird Ue = 1 VDC auf Ua = 3.2 VDC verstärkt.
Die Berechnung erfolgt nach angegebener Formel. Auch hier gilt, dass Ud
= 0 VDC, unabhängig davon wie stark man R1 oder/und R2 verändert. Die
Summe von R2 und R1 darf nur nicht so stark unterschritten werden, dass
der Strom bei entsprechender Ausgangsspannung Ua zu gross wird. Das ist
je nach Typ des Opamp sehr unterschiedlich. Mehr Information dazu
liefert das entsprechende Datenblatt. Man muss natürlich auch noch
darauf achten, dass die Ausgangsspannung Ua im zulässigen Bereich liegt,
der von der Betriebsspannung diktiert wird. Nur innerhalb dieses
Bereiches kann Ud = 0 VDC erfüllt werden.
Was genau haben wir bis jetzt gelernt? Wir lernten, dass die virtuelle
Spannung Uv praktisch identisch ist mit der nichtinvertierenden
Eingangsspannung Ue und dass dies davon kommt, dass eine verstärkte
Ausgangsspannung (Verstärkung definiert durch das Gegenkopplungsnetzwerk
R2/R1) durch die extrem hohe Leerlaufverstärkung dividiert werden muss,
um zu verstehen warum Ue und Uv beinahe identisch sind, d.h. Ud
praktisch 0 VDC ist.
Beim idealen Opamp wäre diese Leerlaufverstärkung unendlich hoch und
darum wäre dann Ud exakt 0 VDC und deshalb auch Uv exakt Ue, bei
welcher mit R2/R1 definierten Verstärkung auch immer. Das Kuriose dabei
wäre, dass man den invertierenden und nichtinvertierenden Eingang
kurzschliessen könnte und dies sogar mit einem supraleitenden Draht, und
der ideale Opamp würde noch immer einwandfrei verstärken. Ja warum auch
nicht, Null Volt bleibt Null Volt und diese Spannung dividiert durch
Null Ohm...
Betrachtungen mit einem Leistungs-Opamp
Wir betrachten hier die Situation mit Uv bei der Anwendung eines
Leistungs-Opamp. Ich verwendete vor sehr langer Zeit den LM12 für den
Bau einer Audio-Leistungsendstufe. Es kann aber ebenso gut ein
gewöhnlicher Opamp sein, der mit einer diskreten komplementären
Transistorstufe erweitert ist und die Gegenkopplung über die ganze
Schaltung wirkt. Eine solche Schaltung ist in
(4) beschrieben. Diese
Leistungsverstärkerstufe nennen wir POA für Power-Operational-Amplifier,
bzw. Power-Opamp.
Teilbild 2.1 ähnelt Teilbild 1.2 mit Rx an Uv angeschlossen. Rv ist auch
hier der Verlustwiderstand der Leitung zwischen Ausgang Ua' des POA und der
Last an Ua. Als realistischer Wert setzen wir 10 m-Ohm ein. Irgendwie
befremdet es, dass der Lastwiderstand RL, hier mit
einem Widerstand von 5 Ohm, an der virtuellen Spannung Uv angeschlossen
ist. So was schliesst man doch am Ausgang des POA an. Welch eine
verkehrte Welt der Elektronik! Es sollte einem aber stutzig machen, wenn
man etwas genauer hinsieht. Rv hat einen Wert von nur 10 Milli-Ohm und
die Bezeichnung Ua ist identisch mit Uv und dort wo normalerweise Ua
ist, ist Ua' gezeichnet und die Spannung an Ua' ist um den Wert des
Spannungsabfalles über Rv geringfügig höher. Man beobachte auch den Weg
des Laststromes, hier 1 A.
Wir kommen zu Teilbild 2.2, wobei diese Schaltung exakt identisch ist
mit der in Teilbild 2.1. Der Unterschied besteht bloss darin, dass die
Schaltung in Teilbild 2.2 so gezeichnet ist, dass sie keine Verwirrung
mehr anstiftet. Die Welt der Elektronik ist damit wieder in Ordnung. Nun
sie ist es eigentlich auch mit Teilbild 2.1, aber Teilbild 2.2 ist
anschaulicher und es leuchtet sofort ein, was mit Rv mit dem sehr
niedrigen Ohmwert gemeint sein könnte. Es ist der Verlustwiderstand der
Leitung zwischen dem Ausgang POA Ua' und der Last, angeschlossen an Ua.
Die Gegenkopplung wird nach dieser verlustbehafteten Zuleitung in der
Nähe des Verbrauchers RL vorgenommen und so
garantiert man an Ua eine besonders lastunabhängige konstante Spannung,
weil Uv mit Ue schliesslich (fast) identisch sein muss, und Uv = Ua,
weil die Verstärkung durch maximale Gegenkopplung 1 (0 dB) ist. Hier ist
die virtuelle Spannung Uv, bedingt durch die hohe Stromfähigkeit der
Endstufe des POA, auch bei höheren Strömen praktisch 0 V. Aber man
denke bitte daran, dass dies nur deshalb so ist, weil der Opamp die
Regelarbeit dafür leistet!
Teilbild 2.3 erweitert die Schaltung von Teilbild 2.2 in einen
Leistungsverstärker mit einer nichtinvertierenden Verstärkung von 5,
gegeben durch das Gegenkopplungsnetzwerk von R2/R3. Us ist die
sogenannte Sensorspannung, bei der die Gegenkopplung direkt an den
Verbraucher geschaltet wird. R1, mit einem sehr viel kleineren
Widerstand als R2 oder R3, dient einzig dazu, dass die geregelte
Spannung an Ua einigermassen aufrechterhalten wird, wenn der Verbraucher
RL (noch) nicht auch an Us angeschlossen ist. Diode
D schützt R1 vor zu hoher Leistung, wenn Ua zuerst und danach Us im
Betriebszustand getrennt wird, in dem die Spannung über R1 durch D
begrenzt wird. Genau mit solchen Methoden arbeitet man beim Entwurf
hochwertiger und hochpräziser analoger Netzteile und Netzgeräte. Man
denkt bei solch einer Schutzmassnahme auch ein wenig in der Richtung,
dass der Anwender nicht immer so ganz seriös mit der Schaltung umgeht,
wie es eigentlich sein sollte. Betriebsanleitungen werden oft erst dann
gelesen, wenn die ersten Rauchzeichen aufsteigen.
Kommen wir zurück zur virtuellen Spannung Uv. Welchen Wert die
Verstärkung, definiert mit R2/R3 auch hat, Uv bleibt konstant auf dem
Wert von Ue. Es gelten auch hier ganz genau die selben Betrachtungen
betreffs extrem hoher Leerlaufverstärkung, wie bereits gehabt. Aber da
wir es hier mit hohen Strömen zu tun haben, sei noch darauf hingewiesen,
dass der GND von RL so mit dem GND der
Spannungsquelle Ue verbunden sein muss, dass über diese GND-Leitung kein
Last-Teilstrom fliesst, denn sonst entsteht eine sogenannte
GND-Rückkopplung (GND-Loop) die leicht zu Instabilität und zu
Schwingungen führt. Man beachte den Strompfeil mit der Angabe von 1
Ampere (1A) als Beispiel. Dies ist ein alt bekanntes Problem beim Bau
von analogen Netzteilen und anderen analogen Last-Regelschaltungen. Man
beachte die GND-Verbindung zwischen Ue und Anschluss von
RL. So ist diese GND-Leitung bestimmt
laststromfrei.
Die virtuelle Spannung vom Impedanzwandler bis zum
Verstärker bei der invertierenden Verstärkerschaltung
Teilbild 3.1 zeigt wiederum den typischen Impedanzwandler mit
Verstärkung 1, wie er in Teilbild 1.1 abgebildet ist. Der einzige
Unterschied besteht in Teilbild 3.1 darin, dass der nichtinvertierende
Eingang mit GND verbunden ist. Wir wissen jetzt auch, dass die virtuelle
Spannung Uv praktisch dem GND-Pegel entspricht, weshalb man in diesem
Fall Uv auch als virtuelle Masse oder virtuellen GND bezeichnet. Dass
die Schaltung in Teilbild 3.1 kaum einen Nutzen hat, leuchtet ein. Sie
dient auch nur zur Anschauung für den nächsten Schritt in Teilbild 2.2,
der typischen invertierenden Verstärkerschaltung. Wir wissen, solange
der Regelprozess des Opamp bezüglich Spannung und Strom am Ausgang Ua
nicht überfordert wird, hat die virtuelle Spannung Uv oder hier der
virtuelle GND einen Quellwiderstrand von praktisch 0 Ohm.
Das ist genau so bei der invertierenden Verstärkerschaltung in Teilbild
3.2 und diese Tatsache bestimmt, dass der Eingangswiderstand an Ue exakt
dem Wert von R1 entspricht. Das kommt beinahe auf das selbe heraus,
als ob Ue über R1 direkt mit GND verbunden ist, wie dies Teilbild 3.2a
illustriert.
Teilbild 3.3 erweitert Teilbild 3.2 mit einem Experiment. Zu diesem
Zweck ist das Potmeter P zwischen der virtuellen Spannung Uv und GND
geschaltet. Mit R2/R1 ergibt sich zwischen Ue und Ua eine Verstärkung
von -1. Wir wählen in diesem Experiment für R1 und R2, aber auch für P, den
selben Widerstandswert von je 10 k-Ohm. Wir geben auf Ue eine Spannung
von 1 VDC und am Ausgang Ua erscheint eine Spannung von -1 VDC, weil R1
= R2 und Uv = 0 VDC. Ua verändert wegen P = 10 k-Ohm seinen Wert von -1 VDC
nicht. Warum auch, denn durch P fliesst schliesslich praktisch kein
Strom weil Uv praktisch 0 VDC ist. Diese -1 VDC an Ua bleiben aber auch,
wenn wir an P drehen und den Wert auf z.B. 1 k-Ohm oder weiter
reduzieren. Naja, warum denn auch nicht, denn wenn durch P kein Strom
fliesst, weil Ud praktisch 0 VDC ist, ändert sich auch nichts an Ua.
Also dann drehen wir den Wert von P weiter zurück und unterhalb eines
bestimmten Wertes, der weit unter 100 Ohm liegen kann, bemerken wir,
dass sich die Spannung an Ua signifikant verändert. Wenn der Wert von P
drastisch reduziert wird, arbeitet der Opamp mit einer sehr hohen
Verstärkung, die durch die Gegenkopplung R2/P bestimmt wird. Die
Verstärkung zwischen Ue und Ua bleibt mit -1 stets gleich gross. Ist P
sehr klein - man muss dann zwecks vernünftiger Einstellbarkeit ein
Potmeter mit einem niedrigeren Widerstandswert benutzen -, wird die
opamp-interne äquivalente DC-Eingangs-Offsetspannung drastisch
verstärkt. Unterhalb eines kritischen Wertes von P gelangt Ua in die
positive oder negative Spannungsbegrenzung, die durch die
Betriebsspannung verursacht wird. Dies ist ganz bestimmt der Fall wenn Ud
kurzgeschlossen ist. Bevor Ua jedoch in die positive oder negative
Spannungsbegrenzung getrieben wird, beobachten wir noch etwas anderes,
wenn wir beim Oszilloskopen genau hinschauen. Wir bemerken, dass der
DC-Spannung Ua auch noch eine Rauschspannung überlagert ist. Dies kommt
ebenfalls von der sehr hohen Verstärkung durch R2/P, denn diese
verstärkt die opamp-eigene äquivalente Eingangsrauschspannung.
Dieser "Nebenschauplatz" mit der DC-Offsetspannung lenkt aber vom
wirklichen Grund ab zu verstehen warum die Schaltung nicht funktionieren
kann, wenn der virtuelle GND mit dem echten GND kurzgeschlossen wird.
Der ganz einfache Grund ist schlichtweg der, dass Ud nicht ganz Null
sein kann, weil die Leerlaufstromverstärkung zwar sehr hoch, jedoch
endlich ist. Es ist aber diese extrem hohe Leerlaufverstärkung, welche
beinahe 0 VDC auf den invertierenden Eingang des Opamp regelt und so der
virtuelle GND von beinahe 0 VDC aufrecht erhält. Diese extrem geringe
Spannung schliessen wir kurz, wenn der Kurzschluss-Widerstand sehr
niederohmig ist, die Regelung bricht dann ab, weil am invertierenden
Eingang auch die allerkleinste Spannung nicht variieren kann. Der Opamp
kann so seine regelnde und verstärkende Aufgabe nicht mehr erfüllen.
An diesem Punkt der Diskussion könnte der "brilliante" Theoretiker
einwenden, dass der ideale Opamp mit einer unendlich hohen
Leerlaufverstärkung funktionieren müsste, wenn Ud kurzgeschlossen würde.
Kurzschliessen, würde hier aber nur gelten, wenn der
Kurzschlusswiderstand echt 0 Ohm hätte. Ein supraleitender Kupferdraht
bei wenigen Grad Kelvin, zum Beispiel. Tja, wenn aber Ud wegen der
unendlich hohen Leerlaufverstärkung echt 0 VDC beträgt, wie kann dann
durch den echten Null-Ohm-Widerstand ein Kurzschlussstrom fliessen der
dazu fähig sein soll den Regelungsprozess, der den virtuellen GND mit
absolut 0 VDC erzeugt, zu unterdrücken? Also weniger als 0 VDC? Daraus
kann man schliessen, dass beim idealen Opamp der virtuelle und der echte
GND identisch sind und ein echter Kurzschluss zwischen den beiden
Opamp-Eingängen den Opamp in seiner verstärkenden Aufgabe nicht
behindert, weil dies dasselbe wäre, wie wenn man zwischen zwei echten
GNDs einen Kurzschluss herstellt...
Des langen Philosophierens kurzer Sinn: Für den Elektronikpraktiker
genügt es zu wissen, dass der virtuelle GND stets eine sehr kleine
Spannung hat und darum ist der virtuelle GND mit dem echten GND niemals
identisch. Um dies aber ein wenig besser zu verstehen, war der kurze
Ausflug in die Totalverwirrung schon sinnvoll, denn es gilt auch hier im
übertragenen Sinne der weise Spruch des Atomphysiker Niels Bohr
(1885-1962): "Wer über Quantenmechanik nachdenken kann, ohne wirr
zu werden im Kopf, hat sie nie wirklich verstanden." Und
verstehen wollen wir doch alle wie der Opamp funktioniert, oder?
Jedermann weiss, dass die Null in den Römischen Zahlen nicht existiert.
Nun, es gibt Gelehrte die entedekt haben sollen, dass in der vedischen
Kultur im alten Indien diese Null bekannt war und man damit umgehen
konnte. Dass die Null nach dem Transfer über die schon damals bekannte
"Seidenstrasse" in den Vorderen Orient bald einmal verloren ging oder
besser gesagt, vermutlich verdrängt worden ist, hatte ihre Ursache
wahrscheinlich darin, dass diesen Völkern die Null und das Unendliche zu
ominös waren. Sie waren damit überfordert. So jedenfalls lautet die
Meinung derer, die bei Ausgrabungen alter vedischen Kulturstätten in
Sanskrittexten die Zahl Null entdeckt haben. Wer weiss, vielleicht hat
uns diese alte Kultur noch heute mehr zu sagen, als die Zahl Null die
sie uns vererbte, aber das ist ein ganz anderes Thema. Ich beende
hiermit das Thema über die virtuelle Spannung bzw. virtuelle Masse von
idealen und realen Opamps, über das Unendliche und über die Null. Wir
verlassen den kurzen "virtuellen" Ausflug in die urferne Vergangenheit
der vedischen Hochkultur und landen gleich wieder in der harten
Opamp-Alltagsrealität und befassen uns mit dem Einschwingverhalten.
Das Einschwingverhalten
Dieses Thema wird bereits in
Operationsverstärker I angedeutet. Es wird dort
erklärt, dass es wegen solchem Einschwingverhalten und der damit
involvierten Signalverzögerung nicht möglich ist, dass die
Differenzspannung Ud schon in dieser Phase beinahe 0 VDC sein kann. Hier
wird der Vorgang etwas ausführlicher behandelt.
Bild 4 zeigt das skizzierte Einschwingverhalten bei einer kleinen
Ausgangsamplitude Ua (Output-Voltage-Swing) von etwa 100 mV beim LF356,
der eine minimale Verstärkung von +1 (0 dB), und beim LF357, der eine
minimale Verstärkung von +5 (14 dB) zulässt. Diese beiden
Minimalverstärkungen gelten auch für die beiden Diagramme in Teilbild
4.21, die jeweils zeitgedehnte Darstellungen von Ua aus dem Teilbild 4.2
sind. Angeregt werden solche Einschwingvorgänge stets von steilen
Impulsflanken am Eingang Ue. Es gilt hier die nichtinvertierende
Verstärkerschaltung, wie sie in Teilbild 4.1 dargestellt ist.
Die zeitliche Verzögerung t von Ua gegenüber Ue ist in beiden
Diagrammen in Teilbild 4.21 etwa gleich gross. Dies kommt daher, dass
beim LF357 die Unity-Gain-Bandbreite etwa gut 4 mal so gross ist wie
beim LF356, jedoch die Verstärkung +5 statt +1 beträgt. Das heisst, in
beiden Fällen ist die Grenzfrequenz und damit auch die Impulsverzögerung
t etwa gleich gross. Das Diagramm mit dem LF356 zeigt ein schwaches
Überschwingen (Overshooting), das unmissverständlich daraufhinweist,
dass die Schaltung mit der minimal zulässigen Verstärkung von +1
leicht kritisch ist. Das Diagramm mit dem LF357 zeigt, dass dieser Opamp
bei seiner minimal zulässigen Verstärkung von +5 noch sehr stabil
arbeitet, d.h. überhaupt keine Anzeichen von Oszillation bei "Reizung"
durch steile Impulsflanken sich bemerkbar machen. Im Datenblatt dieser
beiden Opamps gibt es Fotos die dies etwas realistischer illustrieren.
Diese beiden Fotos haben den Titel: LF156 Small Signal Pulse
Response, Av=+1 und LF157 Small Signal Pulse Response, Av=+5.
Der LF356 ist mit dem LF156 und der LF357 mit dem LF157 betreffs
Wechselspannungseigenschaften (AC-Eelctrical Characteristics)
identisch.
Es gibt ausser diesen beiden Diagrammen, für grosse Ausgangssignale noch
zwei andere. Diese nennen sich LF156 Large Signal Pulse Response,
Av=+1 und LF157 Large Signal Pulse Response, Av=+5. Hier
wirkt nicht die Unity-Gain-Bandbreite, sondern die Slewrate massgebend
für die Verzögerung. Dieser Limit tritt vorallem bei grossen
Ausgangsspannungen, in der Grössenordnungen von einigen V bis zur
Maximalamplitude, begrenzt durch die Betriebsspannung, in Erscheinung.
Um dies alles genau zu studieren, muss man sich das Datenblatt des LF356
und LF357 - das ist oft nur ein Datenblatt - von
National Semiconductor Corporation
zu besorgen.
Bild 5 zeigt am Beispiel der nichtinvertierenden Verstärkerschaltung mit
Verstärkung 1 (Impedanzwandler), wie sich die differenzielle
Eingangsspannung Ud im Augenblick einer steilen Impulsflanke an Ue
bemerkbar macht. In Bild 4 kam die fallende und hier in Bild 5 kommt die
steigende Impulsflanke an Ue zum Einsatz.
Es empfiehlt sich solches selbst mit einem Oszilloskopen zu testen.
Damit es mit einem einfachen nichtspeichernden Oszilloskopen möglich
ist, muss die Impulsperiode an Ue der Impulsverzögerung zwischen Ue und
Ua etwa angepasst sein. Beim Test eines LF356, sollte die Impulsfrequenz
(zeitsymmetrisches Rechtecksignal, Tastverhältnis ca. 0.5) mindestens
einige 100 kHz betragen. Ud kann man messen, in dem man an Kanal A
(Oszilloskop) das Signal von Ue und an Kanal B das Signal von Ua
anschliesst. Falls das Oszilloskop die Eigenschaft hat zwei
Eingangssignale zu subtrahieren, lässt sich auf dem Kanal A oder Kanal B
Ud messen, weil Ud die Subtraktion von Ue und Ua (Ua = Uv) ist. Es wird
hier mit einem Beispiel der Impulsamplitude von 1 V gearbeitet. Man kann
natürlich auch mit andern Werten experimentieren und so durch
Beobachtung am Bildschirm erfahren, ab welcher Impulsamplitude nicht
mehr die Unity-Gain-Bandbreite sondern die Slewrate als
Geschwindigkeitsbegrenzer agiert. Man verleiche dazu die weiter oben
angedeuteten Bilder im LF356-Datenblatt. Viel Spass beim lebendigen
Experimentieren!
Links
Thomas Schaerer, 30.12.2004 ; 06.12.2005 ; 08.08.2007
Bookmark
Findest Du Elektronik-Kompendium.de gut? Hat Dir diese Webseite auch schon weitergeholfen?
