CAD-Elektronik 1 PSpice

1. CAD-Elektronik 1PSpice Martin Schade WS 09/10

2. Problembeschreibung Verstärker 1 Verstärker 3 Verstärker 2 Wird an einem Verstärker ein Signal eingespeist, wird es durch die anderen im Ring weiterverstärkt, kommt wieder am Ursprungspunkt an und wird noch weiter verstärkt. Bei idealen Verstärkern würde das Signal also unendlich groß werden, in der Realität kann es nicht größer werden, als die Betriebsspannung des Verstärkers. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

3. Schaltung 1 CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

4. DC-Simulation: -8V≤Ue≤+8V Ua Ue -> nicht invertierender Eingang auf Masse => Invertierender Verstärker CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

5. Schaltung 2 Einfügen eines Widerstandes zwischen Masse und dem nicht-invertierenden Eingang CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

6. DC-Simulation: -8V≤Ue≤+8V Ua für R4= 100MΩ (gelb), 1kΩ (pink), 1mΩ (türkis) R4=1mΩ: Entspricht der vorherigen Schaltung R4= 100MΩ: nicht-invertierender Verstärker R4= 1kΩ: Verstärkung = 0 CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

7. Für die Verstärkung Ua/Ub=V(R4) ergibt sich damit: • V(100MΩ) = 1 • V(1kΩ) = 0 • V(1mΩ) = -1 CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

8. Schaltung 3 Einspeisung über 1kΩ in den nicht-invertierenden Eingang CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

9. DC-Simulation: -8V≤V4≤+8V Ua rot, V4 grün Die Verstärkung beträgt 1, während die Verstärkung bei Einspeisung über Ue0 beträgt. (Bei gleichen Widerstandswerten) CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

10. Schaltung 4 Hintereinanderschaltung von 3 Verstärkern CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

11. Über die Quellen V4, V6, V8 wird nacheinander eingespeist. Die Spannungen an den Punkten U1, U2, U3 werden betrachtet. Einspeisung über V4 Am Punkt U1 liegt die halbe Eingangsspannung an. Am Punkt U2 liegt ebenfalls die halbe Eingangsspannung an (im Arbeitsbereich des OPV). Am Punkt U3 beträgt die Spannung nahezu 0. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

12. Über die Quellen V4, V6, V8 wird nacheinander eingespeist. Die Spannungen an den Punkten U1, U2, U3 werden betrachtet. Einspeisung über V6 Am Punkt U2 liegt die halbe Eingangsspannung an. Am Punkt U3 liegt ebenfalls die halbe Eingangsspannung an (im Arbeitsbereich des OPV). Am Punkt U1 beträgt die Spannung nahezu 0. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

13. Über die Quellen V4, V6, V8 wird nacheinander eingespeist. Die Spannungen an den Punkten U1, U2, U3 werden betrachtet. Einspeisung über V4 Am Punkt U3 liegt die halbe Eingangsspannung an. Am Punkt U1 liegt ebenfalls die halbe Eingangsspannung an (im Arbeitsbereich des OPV). Am Punkt U2 beträgt die Spannung nahezu 0. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

14. Wird über einen Eingang eingespeist, liegt am folgenden Eingang die gleiche Spannung an, am darauffolgenden Eingang beträgt die Spannung 0. Einspeisung über V4: U1=U2=U(V4)/2, U3=0 Einspeisung über V6: U2=U3=U(V6)/2, U1=0 Einspeisung über V8: U3=U1=U(V8)/2, U2=0 CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

15. Schaltung 4 Hintereinanderschaltung von 3 Verstärkern mit AC-Quellen CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

16. Es wird beispielhaft über die Quelle V19 eine Wechselspannung eingespeist. Die Simulation über einen Frequenzbereich von 1Hz bis 100MHz zeigt, dass sich das Signal an U3 erst ab etwa 50kHz merklich ändert. Die -3dB-Grenze wird sogar erst bei etwa 510kHz erreicht. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

17. Es wird beispielhaft über die Quelle V19 eine Wechselspannung eingespeist. Eine genauere Betrachtung der Spannung an U1 zeigt, dass die Isolation in Rückwärtsrichtung (von U2 nach U1) ab etwa 3kHz kleiner wird. Der Spitzenwert von 6,5mV bei 520kHz entspricht dabei immer noch einer Dämpfung um etwa 38dB. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

18. Es wird beispielhaft über die Quelle V19 eine Wechselspannung eingespeist. Bei einer Sinusförmigen Wechselspannung mit f=1kHz und einer Vpeak=1V zeigt sich das gleiche Verhalten wie bei der Gleichspannungseinspeisung. Das menschliche Gehör ist im Frequenzbereich von ca. 1kHz bis 5kHz am empfindlichsten. Bei Audioanwendungen würden Störungen im hier Simulierten Bereich daher besonders auffallen. Die Schaltung eignet sich also sehr gut für Audioübertragung, da im hörbaren Bereich (ca. 20Hz – 20kHz) keine Verzerrung oder Dämpfung auftritt. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

19. Problembeschreibung Verstärker 1 Verstärker 3 Verstärker 2 Das wird an einem Verstärker ein Signal eingespeist, wird es durch die anderen im Ring weiterverstärkt, kommt wieder am Ursprungspunkt an und wird noch weiter verstärkt. Bei idealen Verstärkern würde das Signal also unendlich groß werden, in der Realität kann es nicht größer werden, als die Betriebsspannung des Verstärkers. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

20. Problemlösung mit der vorgestellten Schaltung Verstärker 1 Verstärker 2 Verstärker 3 Das Signal wird über einen seperaten Eingang eingespeist. Es wird zwischen direkt eingespeistem und weitergeleitetem Signal unterschieden. Ein direkt eingespeistes Signal wird an den nächsten Verstärker weitergeleitet, wo es ausgewertet und bei Bedarf wieder eingespeist werden kann. Da empfangene Signale nicht direkt zum nächsten Verstärker geleitet werden, kann das Signal nicht wieder beim ursprünglichen Sender ankommen. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10

21. Problemlösung mit der vorgestellten Schaltung Verstärker 1 Verstärker 2 Verstärker 3 Eigenschaften der Schaltung: • Gut für den Audiobereich geeignet, da im hörbaren Spektrum keine Verzerrungen oder Dämpfungen auftreten • Weiterleitung der Signale wird sicher unterbunden (Dämpfung min. 38dB) • Eventuell vorhandene hochfrequente Störungen werden ohne weitere Maßnahmen unterdrückt. CAD-Elektronik 1 - PSpice - Martin Schade - WS 09/10