Operationsverstärker werden fast immer als rückgekoppelte Verstärker genutzt. Beim Einsatz des
Operstionsverstärkers als Oszillator, bzw als astabile Kippstufe ist diese Rückkopplung eine Mittkopplung.
Bei der Nutzung als Analogverstärker wird als Rückkopplung eine Gegenkopplung angewandt. Bild 1
zeigt eine Schaltung, die den inneren Aufbau eines Operationverstärkers widergibt (vgl. das entsprechende
Beispiel dieser Schaltungssammlung). Die Ausgangsspannung
wird extern über einen Spannungsteiler (Rk1 und Rk2) als Gegenkopplung auf den Eingang zurückgeführt.
Dieser Verstärker wird als "Nichtinvertierender Verstärker" bezeichnet. Mit der Beschaltung von Bild 1
beträgt die Verstärkung ca. 1+Rk1/Rk2=10. Bild 2 zeigt als Ergebnis einer Transientenanalyse mit
Step Ceiling (Maximal Step Time) = 1us, Final Time (Run to Time) = 10ms von oben nach unten: die Eingangsspannung,
die Ausgangsspannung, die beiden Kollektorströme der Ausgangstransistoren sowie deren Überlagerung zum
Ausgangsstrom der Schaltung. Die Ausgangsspannung ist etwas kleiner als 10, weil der verwendete
"Operationsverstärker" nicht, wie im wirklichen Leben, eine Verstärkung von 100000 oder mehr besitzt,
sondern nur ca. 130, weil im Interesse der Übersichtlickkeit des Schaltungsaufbaus eine zusätzliche Verstärkerstufe
eingespart wurde.
Bild 1: Innenschaltung eines Operationsverstärkers. Gegenkopplung über den Spannungsteiler
Rk1 und Rk2
Bild 2: Gegengekoppelter OPV. Step-Ceiling=1us: Eingangsspannung (grün), Ausgangsspannung (grün), die Kollektorströme der im Gegentakt arbeitenden
Endtransistoren (gelb und blau), sowie (rot) deren Überlagerung zum Ausgangsstrom der Schaltung
Bei allen gegengekoppelten Verstärkern gibt es das Problem, dass auf Grund parasitärer
Kapazitäten (besonders der Kollektor-Basis-Kapazitäten) bei höheren Frequenzen die Phasenverschiebung zwischen
dem rückgekoppelten Teil der Ausgangsspannung und der Eingangsspannung so groß werden kann, dass die
ursprüngliche Gegenkopplung zur Mitkopplung wird. Falls dann die Amplitude der rückgekoppelten Spannung
ausreichend groß ist, beginnt der Verstärker zu schwingen. Oftmals wird er dabei zerstört, immer wird er
dadurch als Verstärker unbrauchbar. Bild 2 scheint in dieser Frage Entwarnung zu geben, denn von
unerwünschten Schwingungen ist nichts zu sehen. So kann man sich täuschen. Die Reduzierung von Step-Ceiling
(Maximal Step Time) auf 0.01us ergibt das Simulationsergebnis von Bild 3:
Bild 3: Step-Ceiling= 0.01us: Ströme und Spannungen von Bild 2
Bild 3 zeigt, dass der Verstärker schwingt. Unter dem Gesichtspunkt des Erwerbs einer souveränen
Simulationstechnik ist dies erst einmal eine extrem unbefriedigende Entdeckung, denn es scheint eine
Sache des Zufalls zu sein, den richtigen Wert für Step-Ceiling zu finden. Zum Glück ist es nicht so
schlimm, wie es auf den ersten Blick aussieht: Sie wissen aus meinem PSpice-Lehrgang, dass 1000 Punkte
zur Darstellung einer Schwingungsperiode immer mehr als ausreichend sind. Das ergibt für die Schaltung
von Bild 1 bei der Frequenz f = 1 kHz der Eingangangsspannung ein Step-Ceiling von 1us. Mit diesem Wert
wurde die Simulation vorgenommen, die zu Bild 2 führte. Man darf nicht überrascht sein, dass Schwingungen
mit extrem höherer Frequenz damit nicht darstellbar sind. Durch eine Ausschnittdarstellung von Bild 3
kann man bei Bedarf erkennen, dass die überlagerte HF-Schwingung eine Frequenz von ca. 10 Mhz hat.
Mit Step-Ceiling = 1 us reicht das gerade für einen Punkt alle 10 Schwingungen. Step-Ceiling = 0.01us
ergibt immerhin 10 Punkte pro Periode, d.h. eine immer noch recht dürftige, aber zur Not ausreichende
Darstellung.
Wie kann man ohne eine Transientenanalyse, d.h. ohne Fourier-Analyse herausfinden, welche Frequenzen in
dem zu analysierenden Signal enthalten sind, damit man Step-Ceiling an die höchste vorhande Frequenz
anpassen kann? Dafür gibt es (u.a.) den AC-Sweep. Bild 4 zeigt das Ergebnis eines AC-Sweeps von 10 Hz
bis 1 GHz. Im oberen Teil des Bildes ist der Amplitudengang dargestellt. Der untere Teil zeigt den Phasengang:
Bild 4: Rückgekoppelter Operationverstärker: AC-Sweep
Man erkennt in Bild 4 den kritischen Bereich um 10 Mhz herum, mit dem dramatischen Phasensprung und dem
dadurch bewirkten Übergang der Gegenkopplung in eine Mitkopplung. Es liegt auf der Hand, Step-Ceiling
so zu wählen, dass Schwingungen im Frequenzbereich um 10 Mhz erfasst werden können. Für dürftige 10 Punkte
pro Periode ergibt das den für Bild 3 verwendeten Wert Step-Ceiling = 0.01us. Noch kleinere Werte für
Step-Ceiling wären besser, bewirken aber enorm hohe Simulationszeiten.
Operationsverstärker werden zu Vermeidung der oben dargestellten Schwingungen im Frequenzgang "kompensiert".
Dazu wird der vorhandene Frequenzgang so beeinflusst, dass das rückgekoppelte Signal beim Erreichen
der kritischen Frequenz (im obigen Beispiel ca. 10 Mhz) deutlich niedriger ist als das Eingangssignal. Bild 5
zeigt die Innenschaltung eines durch einen Kondensator Ck = 0,68 nF im Frequenzgang kompensierten
Operationsverstärkers. Bild 6 zeigt die Ströme und Spannungen von Bild 3 mit Step-Ceilinmg = 0.01us. Man erkennt,
dass die Schwingneigung des Verstärkers mit Hilfe des Kompensationskondensators Ck erfolgreich beseitigt
wurde. Handelsübliche OPV werden in der Regel als kompensierte Typen angeboten, bei denen der
Kompensationskondensator im OPV integriert ist. Es gibt auch Typen, bei denen ein Kompensationskondensator
extern zugeschaltet werden muss.
Bild 5: Schaltung eines kompensierten Operationsverstärkers
Bild 6: Kompensierter Operationsverstärker nach Bild 5. Step-Ceiling= 0.01u. Ströme und Spannungen
von Bild 2
Download der Dateien zur Simulation des rückgekoppelten Operationsverstärkers:
Falls Sie die Schaltung simulieren möchten, sich aber vor der Zeichenarbeit
scheuen, oder falls Sie mit dem Simulationssetup nicht
zurecht kommen, können Sie hier die Schaltung von Bild 1
mit fertigem Simulationssetup im SCHEMATICS- oder im CAPTURE-Format herunterladen.
Zur Simulation benötigen Sie die Euromodifikationen zu PSpice,
die Bestandteil meines Buches sind.
Damit Sie nach der Simulation automatisch die vorgefertigten Probe-Diagramme erhalten,
müssen Sie vor dem Start der Simulation in SCHEMATICS die Option
ANALYSIS/PROBE SETUP/RESTORE LAST PROBE SESSION wählen, bzw in CAPTURE im Fenster
SIMULATION SETTINGS die Option PROBE WINDOW/SHOW/LAST PLOT.
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