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Grundlagen des Operationsverstärkers
E. Riedle ELEKTRONIK SS 2001 8 Operationsverstärker In der Analogtechnik werden häufig Operationsverstärker eingesetzt. LMU 30.11.15 Prof. Dr. Klaus Wille Diese Verstärker haben folgende Eigenschaften: 1. Sehr hohe Spannungsverstärkung (10 4 < vU < 10 6 ) 2. Die erste Stufe ist als Differenzverstärker ausgebildet. 3. Hohe Gleichtaktunterdrückung der Eingangssignale 4. Sehr großer Eingangswiderstand 5. Alle Verstärkerstufen sind gleichspannungsgekoppelt. Schaltsymbol nach DIN 6. Sehr kleiner Ausgangswiderstand 228 ELEKTRONIK SS 2001 Prof. Dr. Klaus Wille 8.1 Aufbau eines mehrstufigen Operationsverstärkers 229 LM741 Operational Amplifier Schematic Diagram TLH9341–1 General Description LM741 The LM741 series are general purpose operational amplifiers which feature improved performance over industry standards like the LM709. They are direct, plug-in replacements for the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications. The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof: overload protection on the input and output no latch-up when the common mode range is exceeded, as well as freedom from oscillations. The LM741C/LM741E are identical to the LM741/LM741A except that the LM741C/LM741E have their performance guaranteed over a 0°C to +70°C temperature range, instead of -55°C to +125°C. Datenblätter (National Semiconductors) http://www.national.com/pf/LM/LM741.html http://pac.lrz-muenchen.de (Proxy) General Description TL082 These devices are low cost, high speed, dual JFET input operational amplifiers with an internally trimmed input offset voltage (BI-FET II™ technology). They require low supply current yet maintain a large gain bandwidth product and fast slew rate. In addition, well matched high voltage JFET input devices provide very low input bias and offset currents. The TL082 is pin compatible with the standard LM1558 allowing designers to immediately upgrade the overall performance of existing LM1558 and most LM358 designs. These amplifiers may be used in applications such as high speed integrators, fast D/A converters sample and hold circuits and many other circuits requiring low input offset voltage, low input bias current, high input impedance, high slew rate and wide bandwidth. The devices also exhibit low noise and offset voltage drift. Datenblätter (National Semiconductors) http://www.national.com/pf/TL/TL082.html General Description LF157 LF155/LF156/LF157 Series Monolithic JFET Input Operational Amplifier These are the first monolithic JFET input operational amplifiers to incorporate well matched, high voltage JFETs on the same chip with standard bipolar transistors (BIFET™ Technology). These amplifiers feature low input bias and offset currents/low offset voltage and offset voltage drift, coupled with offset adjust which does not degrade drift or common-mode rejection. The devices are also designed for high slew rate, wide bandwidth, extremely fast settling time, low voltage and current noise and a low 1/f noise corner. Applications Precision high speed integrators Fast D/A and A/D converters High impedance buffers Wideband, low noise, low drift amplifiers Logarithmic amplifiers Photocell amplifiers Sample and Hold circuits Datenblätter (National Semiconductors) http://www.national.com/pf/LF/LF157.html ELEKTRONIK SS 2001 Prof. Dr. Klaus Wille Das einfachste Beispiel ist der invertierende Verstärker mit Gegenkoppelung: I1 = U E − ΔU E , R1 I2 = ΔU E − U A , R2 IE = (8.2) ΔU E rE Damit folgt U E − ΔU E ΔU E − U A ΔU E = + R1 R2 rE (8.3) und Der Eingangsstrom ist I1 = I 2 + I E (8.1) Mit dem Eingangswiderstand rE des OP wird UA U ⎛1 1 1⎞ = − E + ⎜ + + ⎟ ΔU E R2 R1 ⎝ R1 R2 rE ⎠ (8.4) 232 ELEKTRONIK SS 2001 Prof. Dr. Klaus Wille Die Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen wird ΔU E = UA v (8.5) UA = − Setzt man das in (8.4) ein, erhält man UA U U ⎛1 1 1⎞ = − E + A ⎜ + + ⎟ (8.6) R2 R1 v ⎝ R1 R2 rE ⎠ Die Ausgangsspannung wird dann UA = − Da die Verstärkung v >>> 1 ist, vereinfacht sich diese Beziehung auf UE ⎡ 1 1 ⎛ 1 1 1 ⎞⎤ R1 ⎢ − ⎜ + + ⎟⎥ ⎣ R2 v ⎝ R1 R2 rE ⎠⎦ R2 UE R1 (8.8) Die Verstärkung hängt nicht mehr von den individuellen Eigenschaften des Operationsverstärkers ab. Sie wird nur noch vom Verhältnis der Widerstände der äußeren Beschaltung bestimmt. Die Verstärkerschaltung ist daher extrem linear. (8.7) 233 . Analoge integrierte Schaltungen E. Riedle LMU Physik . MOSFET Transistor Kondensatoren E. Riedle LMU Physik H2 SiHCl3 Düsenboden Nozzle Ground Trichlorsilan Trichlorosilane Diamantbelag Diamond Layer Stabstück Ingot Section SiH4/N2O Quarzboot Quartz Boat Quarzglocke Quartz Tube SiH4 POLY-BESCHICHTUNG POLY DEPOSITION Heizblock Heater Block Duschkopf Shower Head OXID-BESCHICHTUNG OXIDE DEPOSITION Siliciumscheibe Silicon Wafer Siliciumscheibe Silicon Wafer Schleifchuck Grinding Chuck Unverrundete Siliciumscheibe As Sawn Wafer Profilschleifscheibe Edge Rounding Wheel SiHCl3/H2 KANTENVERRUNDEN EDGE ROUNDING Trichlorsilan und Wasserstoff Trichlorosilane and Hydrogen Polykristallines Silicium Polycrystalline Silicon Reaktor Bell Jar Polierteller Polishing Platen Poliertuch Polishing Pad POLIEREN POLISHING Obere und untere Läppscheibe Upper and Lower Lapping Plate LÄPPEN LAPPING Einkristall Monocrystal Induktionsspule Induction Coil Polykristallines Silicium Polycrystalline Silicon ZONENZIEHEN FLOAT ZONE PULLING Quarztiegel Quartz Crucible Siliciumschmelze Silicon Melt Impfkristall Seed Crystal Trägerplatte Ceramic Plate Läuferscheibe Lapping Carrier Siliciumscheibe Silicon Wafer Widerstandsheizer Resistivity Heater TIEGELZIEHEN CZOCHRALSKI PULLING © 2004 Siltronic Siliciumscheibe Silicon Wafer Lampenheizung Lamp Heating EPITAXIE EPITAXY Stabstück Ingot Section Topfschleifscheibe Grinding Wheel RUNDSCHLEIFEN INGOT GRINDING www.siltronic.com Suszeptor Susceptor Prozessgasströmung Process Gas Flow E. Riedle Trocknung Dryer Ätzbecken Etch Bath Reinigungsbecken Cleaning Bath REINIGEN UND ÄTZEN CLEANING AND ETCHING Drahtführungsrollen Wire Guide Rollers Sägegatter Wire Web Slurrydüse Slurry Nozzle Aufgekittetes Stabstück Mounted Ingot DRAHTSÄGETECHNIK MULTI WIRE SLICING Innenloch Sägeblatt Inner Diameter Sawing Blade INNENLOCHSÄGEN INNER DIAMETER SLICING Gasförmiger Chlorwasserstoff Hydrogen Chloride HCl Si Metallurgisches Silicium Metallurgical Silicon WIRBELSCHICHTREAKTOR FLUIDIZED BED REACTOR ABSCHEIDUNG VON POLYKRISTALLINEM REINSTSILICIUM CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF POLYCRYSTALLINE SILICON WIE EINE SILICIUM SCHEIBE ENTSTEHT HOW TO PRODUCE A SILICON WAFER . Widerstand Spule Physik LMU WIRBELSCHICHTREAKTOR FLUIDIZED BED REACTOR H2 Trichlorsilan Trichlorosilane SiHCl3 Metallurgisches Silicium Metallurgical Silicon ABSCHEIDUNG VON POLYKRISTALLINEM REINSTSILICIUM CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF POLYCRYSTALLINE SILICON Reaktor Bell Jar Polykristallines Silicium Polycrystalline Silicon Si HCl Gasförmiger Chlorwasserstoff Hydrogen Chloride Düsenboden Nozzle Ground Trichlorsilan und Wasserstoff Trichlorosilane and Hydrogen TIEGELZIEHEN CZOCHRALSKI PULLING Siliciumschmelze Silicon Melt Impfkristall Seed Crystal RUNDSCHLEIFEN INGOT GRINDING Quarztiegel Quartz Crucible Widerstandsheizer Resistivity Heater Topfschleifscheibe Grinding Wheel ZONENZIEHEN FLOAT ZONE PULLING Stabstück Ingot Section Polykristallines Silicium Polycrystalline Silicon Induktionsspule Induction Coil Einkristall Monocrystal SiHCl3/H2 INNENLOCHSÄGEN INNER DIAMETER SLICING Innenloch Sägeblatt Inner Diameter Sawing Blade Stabstück Ingot Section Diamantbelag Diamond Layer KANTENVERRUNDEN EDGE ROUNDING Profilschleifscheibe Edge Rounding Wheel Unverrundete Siliciumscheibe As Sawn Wafer DRAHTSÄGETECHNIK MULTI WIRE SLICING Aufgekittetes Stabstück Mounted Ingot Schleifchuck Grinding Chuck Slurrydüse Slurry Nozzle Sägegatter Wire Web Drahtführungsrollen Wire Guide Rollers KANTENVERRUNDEN EDGE ROUNDING LÄPPEN LAPPING Siliciumscheibe Silicon Wafer Profilschleifscheibe Edge Rounding Wheel Unverrundete Siliciumscheibe As Sawn Wafer Schleifchuck Grinding Chuck Obere und untere Läppscheibe Upper and Lower Lapping Plate Läuferscheibe Lapping Carrier OXID-BESCHICHTUNG OXIDE DEPOSITION Duschkopf Shower Head REINIGEN UND ÄTZEN CLEANING AND ETCHING Reinigungsbecken Cleaning Bath Ätzbecken Etch Bath SiH4/N2O Heizblock Heater Block Siliciumscheibe Silicon Wafer POLY-BESCHICHTUNG POLY DEPOSITION Trocknung Dryer Quarzglocke Quartz Tube SiH4 Siliciumscheibe Silicon Wafer Quarzboot Quartz Boat POLIEREN POLISHING EPITAXIE EPITAXY Lampenheizung Lamp Heating Poliertuch Polishing Pad Polierteller Polishing Platen Siliciumscheibe Silicon Wafer Trägerplatte Ceramic Plate Prozessgasströmung Process Gas Flow Suszeptor Susceptor . Ausgangsmaterial: p-dotiertes Silizium Oxidation zu Siliziumdioxid Aufbringen des Fotolacks Belichten über eine Fotomaske Entfernen des nicht belichteten Fotolacks E. Riedle LMU Physik . Wegätzen des SiO2 an den nicht beschichteten Stellen --> Maske Eindiffundieren von n+ Entfernen der Maske Auswachsen einer n-EpitaxieSchicht E. Riedle LMU Physik . Erzeugen, Maskieren, Ätzen und Reinigen einer SiO2-Schicht Eindiffundierung eines p+-dotierten Ringes um das zukünftige Bauteil Erzeugen, Maskieren, Ätzen und Reinigen einer SiO2-Maske für den Basisbereich Diffundieren der Basiszone E. Riedle LMU Physik . Bipolar Transistor in Silizium Planartechnik Erzeugen, Maskieren, Ätzen und Reinigen einer SiO2-Maske für Emitter und Kollektor-Anschluß. Diffundieren dieser Bereiche. Metallisieren der Oberflächen Wegätzen der überflüßigen Metallisierung E. Riedle LMU Physik
