1. >
  2. >

Was sind OpAmps und Komparatoren?

Was sind OpAmps?

OpAmps (Operationsverstärker) sind Differenzialverstärker, die die Differenzialspannung zwischen den +/- Eingangs-Pins verstärken und sich durch einen hohen Eingangswiderstand, einen niedrigen Ausgangswiderstand und eine hohe offene Verstärkung (Leerlaufverstärkung) auszeichnen.
Jeder Schaltkreis besteht aus 5 Terminals: Positive Stromversorgung, negative Stromversorgung, + Eingang, - Eingang und Ausgang.

*Generell sind die Bezeichnungen für die Stromversorgung, Eingangs- und Ausgangs-Pins nicht standardisiert

Beispiele für Stromversorgungs-Pin-Namen von OpAmps OpAmp-/-Vergleichersymbole
Spannungskontrolliertes Spannungsquellenverstärkermodell

OpAmps benötigen einen hohen Eingangswiderstand (Impedanz) und einen niedrigen Ausgangswiderstand.
In der rechten Abbildung des „spannungskontrollierten Spannungsquellenverstärkermodells", wird die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung durch die folgende Formel ausgedrückt.

Formel

Vs :Eingangssignalquelle
Rs : Ausgangswiderstand der Signalquelle
Ri : Eingangswiderstand
Ro :Ausgangswiderstand
RL : Lastwiderstand
Av :Verstärkung

Die Signalspannung Vswird geteilt durch den Spannungsteiler basierend auf dem Signalquellenwiderstand Rsund OpAmp-Eingangsspannung Ri, wobei das gedämpfte Signal in den OpAmp eingeleitet wird.
Ist Ri jedoch im Vergleich mit Rs (Ri=∞) groß genug, kann der erste Term der Gleichung an 1 angenähert und als Vs=Vi angezeigt werden.
Beim zweiten Term wird die verstärkte Eingangsspannung AvVigeteilt und basierend auf dem OpAmp-Ausgangswiderstand Round dem Lastwiderstand RLausgegeben.
Zu dem Zeitpunkt, wenn Ro ausreichend kleiner als RL (Ro=0) ist, kann der zweite Term an 1 angenähert werden und Sie werden sehen, dass das Signal ohne Dämpfung ausgegeben werden kann.
Diese Art von OpAmp wird als idealer OpAmp bezeichnet.
Normale OpAmps werden so konfiguriert, dass sie so nah wie möglich am idealen OpAmp liegen – mit einem hohen Eingangswiderstand und einem niedrigen Ausgangswiderstand.

Idealer Eingangswiderstand und Ausgangswiderstand  data-cke-saved-src=

Normale OpAmps werden so konfiguriert, dass sie so nah wie möglich am idealen OpAmp liegen – mit einem hohen Eingangswiderstand und einem niedrigen Ausgangswiderstand.
Daher ist es für einen OpAmp vorteilhaft, einen hohen Verstärkungsfaktor zu haben.
Der Grund kann durch den Spannungsfolgeschaltkreis erklärt werden.
Bei einem Spannungsfolgeschaltkreis sind ein Eingangs- und Ausgangsspannung gleich. Er kann hauptsächlich als Spannungspuffer verwendet werden mit einem hohen Eingangswiderstand und einer niedrigen Ausgangsspannung und Vs=VOUT.

Spannungsfolgeschaltkreis  data-cke-saved-src=

OpAmps verstärken die Differenzialspannung basierend auf dem Verstärkungsfaktor des OpAmps, wobei die Ausgangsspannung folgendermaßen ausgedrückt wird.

Formel

Daher,

Formel

Wenn die offene Verstärkung von Av des OpAmp groß genug ist, kann die linke Seite an 0 angenähert werden und Vs=VOUT.
Ist die Verstärkung niedrig, kann die linke Seite der Gleichung nicht an 0 angenähert werden und es kommt zu einem Fehler bei der Ausgangsspannung.
Um einen hohe offene Verstärkung zu erreichen, sollte der Ausgangsspannnungsfehler basierend auf diesem Fehler so gering wie möglich sein.
Dies kann auch so betrachtet werden, dass die Minimierung der potenziellen Differenz zwischen den umgekehrten (-) und nicht umgekehrten (+) Eingängen die offene Verstärkung steigert. Dies bedeutet, dass die Beziehung VIN+=VIN- existiert je höher die offene Verstärkung wird. Die Beziehung, bei der +Eingang und -Eingang virtuell gleich sind, wird als .virtueller Kurzschluss oder imaginärer Kurzschluss bezeichnet (oder imaginäre/virtuelle Masse).
Beachten Sie, dass diese Beziehung existiert, wenn negative Feedback-Schaltkreise konfiguriert und genutzt sowie Anwendungsschaltkreise mithilfe von Merkmalen virtueller Masse entwickelt werden.

Was sind Vergleicher?

Vergleicher haben dieselbe Pin-Konfiguration wie OpAmps: + Eingang, - Eingang, Positive Versorgung, Negative Versorgung, und Output-Pins. Bei Vergleichern wird jedoch einer der Eingangs-Pins als Referenz-Pin verwendet (mit einer festen Spannung) und die Spannungsdifferenz zwischen diesem Referenzwert und der Spannung, die am anderen Eingangs-Pin bereitgestellt wird, wird verstärkt, was zu einem hohen oder niedrigen Ausgang führt.

+Eingangs-Pin-Potenzial > -Eingangs-Pin-Potenzial = Ausgang hoch
-Eingangs-Pin-Potenzial > +Eingangs-Pin-Potenzial = Ausgang niedrig

Der Hauptunterschied zwischen OpAmps und Vergleichern ist das Vorhandensein/die Abwesenheit von Phasenkompensationskapazität.
Zur Verhinderung innerer Schwingungen benötigen OpAmps eine Phasenkompensation, insbesondere bei der Konfiguration negativer Feedback-Schaltkreise.
Im Gegensatz dazu enthalten Vergleicher (die nicht für die Konfiguration negativer Feedback-Schaltkreise verwendet werden) keine interne Phasenkompensationskapazität.
Da die Reaktionszeit zwischen Eingang und Ausgang begrenzt wird (aufgrund von Phasenkompensationskapazität) bieten Vergleicher daher generell bessere Reaktionszeiten als OpAmps.
Mit anderen Worten: Werden OpAmps als Vergleicher verwendet, ist die Reaktionszeit aufgrund der in OpAmps enthaltenen Phasenkompensationskapazität deutlich schlechter.
Daher sollten Sie vorsichtig sein, wenn Sie Vergleicher mit OpAmps ersetzen.