Opv Kippschaltungen

Kippschaltungen Komparator

AELT Grundlagen

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KIPPSCHALTUNGEN Betreibt man einen Operationsverstärker ohne Gegenkopplung oder mit Mitkopplung hat die Ausgangsspannung nur zwei stabile Zustände: Uamax obere Aussteuergrenze Uamin untere Aussteuergrenze Der Zustand Ud=0

1

gilt allgemein nicht mehr, tritt nur im Umschaltzeitpunkt auf, dient nur zur Ermittlung der Umschaltpegel (Schaltschwellen)

Komparator Beim Nulldurchgang von Ud springt die Ausgangsspannung von einer Aussteuergrenze zur anderen. Die Änderungsgeschwindigkeit von Ua ist durch die Slew Rate des OPV begrenzt. Diese beträgt bei frequenzkorrigierten Standard-OPVs ungefähr 1V/µs. Durch die Erholzeit des Verstärkers nach Übersteuerung tritt noch eine weitere Verzögerung auf. Spezielle Komparator-OPVs haben keine Frequenzgangkorrektur (ohne GK nicht notwendig), sind für kurze Schaltzeiten optimiert und haben meist einen Ausgang, welcher Logikpegel (TTL, CMOS oder ECL) liefert. Schwankt die Eingangsspannung hochfrequent um die Referenzspannung (z.B. durch Rauschen) schaltet der Ausgang ebenso hochfrequent → „Flattern“ des Komparators

Ue

+

Ud Uref

Ua _

Komparator Übertragungskennlinie des Komparators

Uref 2

+

Ua2 _

&

Ue

Ua

+

Ua1 Uref 1

_

Fensterkomparator mit Digitalausgängen

Übertragungskennlinie des Fensterkomparators

Kippschaltungen

AELT

Schmitt-Trigger

Grundlagen

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2 Schmitt-Trigger Ein Schmitt-Trigger ist ein Komparator, bei dem Ein- und Ausschaltpegel nicht zusammenfallen, sondern um eine Schalthysterese ΔUE verschieden sind. Dadurch wird ein „Flattern“ des Ausgangs vermieden. Beim Schmitt-Trigger wird die Schalthysterese durch die Mitkopplung eines Komparators über einen Spannungsteiler (R1, R2 ) erzeugt. Folgende Definitionen sind zu beachten: UEein

Einschaltpegel

Eingangsspannung bei der der Ausgang nach oben schaltet

UEaus

Ausschaltpegel

Eingangsspannung bei der der Ausgang nach unten schaltet

ΔUE

Schalthysterese

ΔUE = UEein – UEaus (oft nur als Betrag angegeben)

2.1 Nicht invertierender Schmitt-Trigger 

bei ansteigender Eingangsspannung schaltet der Ausgang nach oben



Schaltung durch Vertauschen der OPV-Eingänge bei der invertierenden Verstärkergrundschaltung R2

R1

Ue

+

Ua _

U0

0

U Eein  

R1  U Amin R2

U Eaus  

R1  U Amax R2

2.2 Invertierender Schmitt-Trigger 

bei ansteigender Eingangsspannung schaltet der Ausgang nach unten



Schaltung durch Vertauschen der OPV-Eingänge bei der NI-Verstärkergrundschaltung

Ue

_

Ua +

R2 R1

U0

0

U Eein 

R1  U A min R1  R2

U Eaus 

R1  U Amax R1  R2

Durch Einfügen der Spannungsquelle U0 kann man bei beiden Schmitt-Trigger-Schaltungen die Übertragungskennlinie horizontal verschieben. Die Schalthysterese ändert sich dabei auch !

Kippschaltungen

AELT Übungsbeispiele

b) Wie ändert sich die Kennlinie wenn man die beiden Eingänge des OPVs vertauscht?

Ue

2.2k R2 1k

[ Schaltschwelle in beiden Fällen US= -2.273V , Kennlinienverläufe aber verschieden ]

Ua

0

2 Zeichne die Übertragungskennlinie Ua=f(Ue) der folgenden Schaltung OPV: ideal, Uamax=+6V , Uamin=-6V

+

+5V

1 a) Zeichne die Übertragungskennlinie Ua=f(Ue) der nebenstehenden Schaltung

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R1

_

Komparator

Ra

100k

0

+6V

R1

10k +

Ua1 _

R4 R2

10k

20k Ua

Ue R5

20k

Ra

+

R3

1T

Ua2

30k _

0

0

-6V

3 Zeichne die Übertragungskennlinie Ua=f(Ue) der folgenden Schaltung OPV: ideal, einfache Betriebsspannung (single supply)  Uamax=+5V , Uamin=-0V +5V

R1

10k _

Ua1 +

R2 10k

UA_HI = 5 UA_LO = 0

R4

10k Ua

Ue R5

10k

+

Ua2

R3 10k _

0 0

UA_HI = 5 UA_LO = 0

4 UAmax=+5V, UAmin=-5V, R1=20kΩ, R2=10kΩ, R3=20kΩ a) Stelle die Übertragungskennlinie uA=f(uE) dar b) Stelle den Zeitverlauf uA(t) für uE(t)=2.5V+2.5V∙sin(ωt) dar +5V R1 Uref 1

+

Ua1 _

R2

R

Ue

Ua R

_

Ua2

R3

0

+

Uref 2

Kippschaltungen

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Schmitt-Trigger

Übungsbeispiele

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1 In der folgenden Tabelle sind die fettgedruckten Werte gegeben, der Rest ist zu berechnen Typ

UAmax

UAmin

R1

R2

U0

UEein

UEaus

|UEein-UEaus|

a

NI

+12V

-12V

10kΩ

60kΩ

0V

+2V

-2V

4V

b

I

+12V

-12V

10kΩ

50kΩ

0V

-2V

+2V

4V

c

NI

+14V

-14V

1kΩ

2kΩ

+2V

+10V

-4V

14V

d

I

+14V

-14V

1kΩ

2kΩ

+2V

-3.33V

+6V

9.33V

e

NI

+5V

0V

10kΩ

20kΩ

+2V

+3V

+0.5V

2.5V

f

I

+5V

0V

2.5kΩ

10kΩ

0V

0V

+1V

1V

g

NI

+12V

0V

10kΩ

10kΩ

+4.5V

9V

-3V

12V

h

I

+12V

0V

5kΩ

10kΩ

+6V

4V

8V

4V

R2

UAMAX UAMIN

Ue _

Ua

R1

+

Ue

+

Ua _

0

R2

0

Ra

1Meg

R1

UAMIN UAMAX

0

U0 U0

0

Nicht-invertierender Schmitt-Trigger

0

Invertierender Schmitt-Trigger

2 a) Zeichne die Übertragungskennlinie der folgenden Schaltung (mit U0=0V) [UEein=+1.16V , UEaus=-1.16V] b) Wie muss U0 gewählt werden, damit die Ausschaltschwelle UEaus=0V beträgt? OPV ideal , UAmax=+6V , UAmin=-6V , Durchlassspannungen der Dioden UF=0.58V

UA_HI = +6V UA_LO = -6V

U0

0

_

Ua +

Ue

R3

R1

R2

20k

10k

10k

Uf =0.58V

0

0

0

[U0=+0.387V]

Kippschaltungen

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Schmitt-Trigger

Übungsbeispiele

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3 Berechne für die folgende Schmitt-Trigger-Schaltung die Schaltschwellen und zeichne die Übertragungskennlinie Ua=f(Ue) Ueaus

_

+5V

Ua

-5V 0V

+

+

R2

10k

R1 2k

2k

0.67V 0.8V

R2

10k

1V

U0

1V

0

0

0

4 Eine Schmitt-Trigger-Schaltung soll folgende Eigenschaften aufweisen: Aussteuergrenzen: UAmax=+10V UAmin=0V Schaltschwellen: UEein=+5V UEaus=+2V a) b) c)

1V

+1V

U0

1V

10k

R1 2k

+1V

U0

+

+1.67V +1.8V R2

R1

UAMAX = +5V UAMIN = -5V

0V

Ueein

_

Ue

UAMAX = +5V UAMIN = -5V

+1.67V +1.8V

_

UAMAX = +5V UAMIN = -5V

10V

Zeichne die Übertragungskennlinie UA=f(UE) Gib eine Schaltung an welche dieses Verhalten zeigt Dimensioniere die Schaltung (ein Widerstand muss angenommen werden, Bereich 1kΩ bis 10kΩ)

0

2V 5V R2

R1 U 0  5V  5V  R1  R2 U 0  2V  8V 

R1 R1  R2



U 0  3.846V

R1

Ue

+

10k

2V

___________________ R1 0  3V  13V  R1  R2 R1 3  13 R1  R2

5V

Ua

UAMAX = 10V UAMIN = 0V



 R2  33.3K 0

5 Eine Schmitt-Trigger-Schaltung soll folgende Eigenschaften aufweisen: Aussteuergrenzen: UAmax=+10V UAmin=0V Schaltschwellen: UEein=+2V UEaus=+5V a) Zeichne die Übertragungskennlinie UA=f(UE) b) Gib eine Schaltung an welche dieses Verhalten zeigt c) Dimensioniere die Schaltung (ein Widerstand muss angenommen werden, Bereich 1kΩ bis 10kΩ) Ue

2V  U 0 

R2 R1  R2 R1 10k  10V  R1  R2 10k  R2

Ua

5V 2V

 U 0  2.86V   R2  23.3k

R1

R2 10k

U0

0

10V 0V

+

R2 R1  10V  R1  R2 R1  R2

_

2V

R1 2V  U 0   0V  U 0   R1  R2 5V  U 0 

UAMIN = 10V UAMAX = 0V

5V

R1 5V  U 0   10V  U 0   R1  R2

3V  10V 

10V

_

U0

0V

Kippschaltungen

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Schmitt-Trigger

Übungsbeispiele

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6 Ein Schmitt-Trigger liefert bei gegebenem Eingangsspannungsverlauf uE(t) die Ausgangspannung uA(t) a) Zeichne die Übertragungskennlinie UA=f(UE) des Schmitt-Triggers b) Gib eine Schaltung an welche dieses Verhalten zeigt c) Dimensioniere die Schaltung (ein Widerstand muss angenommen werden, Bereich 1kΩ bis 10kΩ) R2 50k 2V 1V Ue

R1

U0

+

10k

Ua _

U0

1.666V

0

U 0  2V 

R2 R1  R2

U 0  1V  4V  

R1 R1  R2

R2  5R1

Annahme :

R1  10k 



R2  50k 

  U 0  1.66V

R2

7 Schmitt-Trigger mit nebenstehender Schaltung UAmax=+5V, UAmin=-5V, R1=10kΩ, UEein=+2V, UEaus=-2V a)

Zeichne die Übertragungskennlinie UA=f(UE)

b)

Berechne den Widerstand R2

R1

Ue

+

Ua _

0

U Eein U U 5V   A min  R2   R1  A min  10k    25k  R1 R2 U Eein 2V U0

R2

8 Schmitt-Trigger mit nebenstehender Schaltung

R3

UAmax=+10V, UAmin=-10V, U0=-10V, UEein=+7.5V, UEaus=+2.5V, R2=20kΩ

Ue

a)

Zeichne die Übertragungskennlinie UA=f(UE)

b)

Berechne die Widerstände R1 und R3

R1 +

Ua _

0 U Eein U A min U   0 R1 R3 R2

7.5V 10V   0.5mA R1 R3

U Eaus U A max U   0 R1 R3 R2

2.5V 10V   0.5mA R1 R3 

40V  1mA R3

 R3  40k 

7.5V  0.75mA  R1  10k  R1

0V 5V