Gegenkopplung bei Operationsverstärkern - Mein Hobby ist der Amateurfunk

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Gegenkopplung bei Operationsverstärkern

Gegenkopplung

invertierender Operationsverstärker

Mit Gegenkopplungen kann man die Eigenschaften von Verstärkern erheblich beeinflussen. Gegenkopplungen verringern allgemein die Verstärkung. Da der reale Operationsverstärker eine sehr große Verstärkung hat, kann man sehr stark gegenkoppeln und behält dennoch eine ausreichende Verstärkung. Stark gegengekoppelte Verstärker arbeiten sehr stabil und sind unempfindlich gegen äußere Einflüsse wie Spannungsschwankungen oder Temperaturänderungen. Für die Gegenkopplung sind nur 2 Widerstände notwendig. Das Verhältnis von R2 zu R1 bestimmt die Stärke der Gegenkopplung und damit die Verstärkung V.
Bei dieser Gegenkopplung handelt es sich um eine Spannung - Strom - Gegenkopplung.

nichtinvertierender Operationsverstärker

Auch bei dieser Schaltung wird mit den Widerständen R2 und R1 die Gegenkopplung erzeugt. Dabei handelt es sich aber um eine Strom - Spannung - Gegenkopplung

Operationsverstärker mit frequenzabhängiger Gegenkopplung

Ersetzt man den Widerstand R2 durch einen Kondensator, so ist die Gegenkopplung von den Eigenschaften des Kondensators abhängig. Der Widerstand von Kondensatoren ist frequenzabhängig. Je höher die sinusförmige Frequenz, umso geringer der Widerstand des Kondensators und umso stärker die Gegenkopplung. Somit ergibt sich, dass die hohen Frequenzen weniger verstärkt werden. Die tiefen Frequenzen dagegen besser verstärkt werden. Damit erhält man einen Tiefpass. Die Verstärkung geht um 6 dB pro Oktave zurück. Das bedeutet eine Halbierung der Verstärkung bei Verdoppelung der Frequenz.

Frequenzgang eines Tiefpasses mit einem Operationsverstärker

Für die Simulation des Tiefpasses wurde R1 mit 10 K und C1 mit 15 nF gewählt. Das Bild zeigt den logarythmischen Verlauf der Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz. Je höher die Frequenz umso geringer die Verstärkung. Die Verstärkung beträgt bei 10 Hz  40 db ( 100 fach) und sinkt bei 1 MHz auf -60 dB ( 1/1000 fach) ab.

Der Operationsverstärker als Integrator.

Speist man einen Tiefpass mit einer rechteckförmigen Spannung so erhält man einen Integrator. Das bedeutet, dass aus einer rechteckförmigen Spannung eine dreieckförmige Spannung wird. Bei einem Spannungssprung am Eingang steigt die Ausgangsspannung linear nach einer Zeitfunktion an. Bei dem invertierenden Operationsverstärker steigt die Spannung am Ausgang bei negativem Spannungssprung am Eingang. Die untere Darstellung zeigt die rechtreckförmige Eingangspannung. Oberhalb ist die Darstellung der dreieckförmigen Ausgangsspannung.

Operationsverstärker mit frequenzabhängiger Gegenkopplung

Ersetzt man den Widerstand R1 durch einen Kondensator, so ist die Gegenkopplung von den Eigenschaften des Kondensators abhängig. Der Widerstand von Kondensatoren ist frequenzabhängig. Je höher die sinusförmige Frequenz, umso geringer der Widerstand des Kondensators und umso stärker die Gegenkopplung. Somit ergibt sich, dass die hohen Frequenzen mehr verstärkt werden. Die tiefen Frequenzen dagegen stärker gedämpft werden. Damit erhält man einen Hochpass. Die Verstärkung nimmt um 6 dB pro Oktave zu. Das bedeutet eine Verdoppelung der Verstärkung bei Verdoppelung der Frequenz.

Frequenzgang eines Hochpasses


Für die Simulation des Tiefpasses wurde R mit 10 K und C mit 15 nF gewählt. Das Bild zeigt den logarythmischen Verlauf der Verstärkung in Abhängigkeit von der Frequenz. Je höher die Frequenz, umso größer die Verstärkung. Die Verstärkung beträgt bei 20 Hz  -35 db ( -25 dB entspricht einer Abschwächung auf 1/56 ) und steigt bei 20 kHz MHz auf 25 dB ( 18 fach ) an.

Der Operationsverstärker als Differenzierer.

Speist man einen Hochpass mit einer rechteckförmigen Spannung so erhält man einen Differenzierer. Ein Differenzierer reagiert nur auf Änderungen der Eingangsspannung. Nur bei den Spannungssprüngen des Rechtecksignals entsteht am Ausgang ein Ausgangssignal. Da bei einem rechteckförmigen Eingangssignal der Übergang beim Spannungssprung sehr kurz ist, erscheint am Ausgang auch nur ein kurzer Ausgangsimpuls. Dieser kurze Ausgangsimpuls wird auch als Nadelimpuls bezeichnet. Da der Operationsverstärker invertiert, erscheint bei einem positivem Spannungssprung am Eingang ein negativer Impuls am Ausgang und entsprechend umgekehrt. Im unteren Teil des Bildes ist die rechteckförmige Eingangsspannung dargestellt. Im oberen Teil sieht man die nadelförmigen Impulse der Ausgangsspannung.

 
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