Invertierender Verstärker
Die zweite Grundbeschaltung des OPs ist der invertierende Verstärker. Die Beschaltung ist der Verschaltung des nicht invertierenden Verstärkers ähnlich. Nur das Sensorsignal wird an einer anderen Stelle mit der Verstärkerschaltung verbunden.
Aufgabe: Berechnen Sie die Verstärkung v der Schaltung in Abhängigkeit von den Widerständen selbst. Damit können Sie überprüfen, ob Sie mit Maschen an OPs rechnen können. Wenn Sie andere Schaltungen als diese beiden Grundschaltungen vorgesetzt bekommen, dann sollten Sie dieses Verfahren beherrschen. Die Lösung ist zur Kontrolle unter dem Bild angegeben.
Mit diesem Verstärker werden die Signale verstärkt und gleichzeitig invertiert. Sie werden mit einem negativen Faktor multipliziert. Positive Eingangsspannungen werden am Ausgang negativ und negative werden positiv. Es sind auch Verstärkungsfaktoren im Bereich v = [-1 … 0] möglich. Also kann dieser Verstärker auch Signale dämpfen.
Sie haben jetzt zwei Grundschaltungen kennengelernt, mit denen Sie Eingangsspannungen mit einem einstellbaren Faktor multiplizieren können. Dazu rechne ich Ihnen zwei Beispielanwendungen vor.
Beispiel 1
Ein Sensor gibt eine Sensorspannung im Bereich US = [0V … 10mV] aus. Der ADC weist eine Referenzspannung von UREF = 5V auf. Der ADC wird direkt am Ausgang des OPs der analogen Signalverarbeitung angeschlossen. Es gilt UAUS,OP = UEIN,ADC.
Aufgabe: Gesucht ist eine Schaltung, mit der der Bereich der Sensorspannung auf den ADC-Eingangsspannungsbereich abgebildet werden kann.
Lösung: Dazu muss die Sensorspannung mit dem Faktor multipliziert werden. Ermitteln wir zunächst diesen Verstärkungsfaktor:
Um diese Funktion zu erfüllen brauchen wir eine Verstärkerschaltung mit positiver Verstärkung, also den nicht invertierenden OP.
Setzen wir willkürlich R1 = 1kΩ, dann muss R2 = 500kΩ groß sein. Wir runden in der Praxis solche Werte oft, wenn der Effekt des Rundens kleiner 1% ist. Einen Widerstand können Sie frei wählen, der andere ergibt sich dann aus der Formel. Die Größenordnung der Widerstände kann frei gewählt werden, nur das Verhältnis der Widerstände ist festgelegt. Es gibt also nicht nur eine Lösung für die Dimensionierung der Widerstände, sondern viele.
Widerstände für den Einsatz in Schaltungen sind im Wertebereich R = [10mΩ … 10MΩ] verfügbar. Wir wählen bei OP-Schaltungen üblicherweise Widerstände im kΩ-Bereich, denn je höher die Widerstandswerte sind, desto weniger Strom fließt in der Schaltung. Dies ist gerade bei batteriebetriebenen Anwendungen sehr wichtig.
Beispiel 2:
Ein Sensor gibt eine Sensorspannung im Bereich US = [-100µV .. 0V] aus. Der ADC weist eine Referenzspannung von UREF = 3V auf.
Aufgabe: Gesucht ist eine Schaltung, mit der der Bereich der Sensorspannung auf den ADC-Eingangsspannungsbereich abgebildet werden kann.
Lösung: Dazu muss die Sensorspannung mit dem Faktor multipliziert werden. Ermitteln wir zunächst diesen Verstärkungsfaktor:
Setzen wir R1=10Ω, dann muss R2=300kΩ groß sein. Der Strom fließt durch beide Widerstände durch. Deshalb ist es ausreichend, wenn einer der Widerstände hochohmig ist, um den Strom klein zu halten.