BET103: Operationsverstärker und Filter (mit Praktikum)

Lernpfad Elektronik

BET103: Operationsverstärker und Filter (mit Praktikum)

Kurzporträt BET103: Operationsverstärker und Filter (mit Praktikum)
Worum geht es? In diesem Modul geht es um Operationsverstärker, also vielseitige Bausteine für analoge elektronische Schaltungen. Studierende lernen, wie man Signale verstärkt, vergleicht, verarbeitet und mit Filtern gezielt verändert. Dazu werden Schaltungen berechnet, simuliert, aufgebaut und messtechnisch überprüft.
Wofür braucht man es? Diese Kompetenzen werden gebraucht, wenn präzise Verstärker-, Mess- oder Filterstufen in technischen Geräten entwickelt oder bewertet werden. Die Kompetenzen sind besonders wichtig für Anwendungen, in denen Sensorsignale zuverlässig aufbereitet und störende Signalanteile reduziert werden müssen.
Wieso ist es interessant? Das Modul zeigt, wie schwache oder unübersichtliche Signale so verändert werden können, dass sie technisch nutzbar werden. Wer verstehen möchte, wie analoge Elektronik in Messgeräten, Audio-, Sensor- oder Steuerungssystemen arbeitet, bekommt hier zentrale Werkzeuge an die Hand.
Modulverantwortung

Prof. Dr. Gholamreza Alirezaei

Lehrperson(en)

Prof. Dr. Gholamreza Alirezaei

Verwendbarkeit

Bachelor Elektrotechnik

Fächergruppe

Ingenieurwissenschaften

Modultyp
Pflicht
Sprache

Deutsch

Angebot

Sommersemester

Dauer

1 Semester

Credits

5 ECTS

Benotung

Deutsche Notenskala 1-5

SWS

2 V | 1 Ü | 1 P | - S

Workload
Präsenzstudium: 45 Std. Selbststudium: 90 Std.
Engl. Titel

Operational Amplifiers and Filters

Empfohlene Voraussetzungen
  • BET202: Analoge Signale und Systeme: Signal- und Systembeschreibung im Zeit- und Frequenzbereich sowie Übertragungsfunktionen und Filtergrundlagen.
  • BET403: Regelungstechnik: Systemtheorie, Stabilitätsanalyse und Beschreibung dynamischer Systeme mit Übertragungsfunktionen.
  • BET101: Mess- und Sensortechnik: Sensorsignale, Messschaltungen, Messverfahren und Bewertung von Messergebnissen.
  • BET102: Halbleiterbauelemente und Grundschaltungen: elektronische Bauelemente, Ersatzschaltbilder, Arbeitspunkte und analoge Grundschaltungen.
Lernergebnisse / Kompetenzen
WAS

Die Studierenden können einfache Operationsverstärkerschaltungen planen, dimensionieren und hinsichtlich Stabilität, Frequenzverhalten und Nachhaltigkeit fundiert bewerten. Dabei werden zum einen analoge Rechenschaltungen behandelt, zum anderen werden sowohl aktive als auch adaptive Filterschaltungen studiert.

WOMIT

Die Studierenden erreichen dieses Lernergebnis, indem sie

  • den inneren Aufbau idealer und realer Operationsverstärker analysieren und die Arbeitsweise verstehen,
  • geeignete Ersatzschaltbilder für reale OPV auswählen und einsetzen,
  • OPV-Schaltungen mit elektrische Energie passend versorgen,
  • Verstärker-, Vergleicher-, Filter- und Rechenschaltungen entwerfen und begründen,
  • Stabilität, Übertragungsfunktion und innere Zustände analytisch und simulativ untersuchen und evaluieren,
  • verschiedene Schaltungstopologien differenzieren,
  • OPV-Schaltungen praktisch aufbauen und mit geeigneten Messverfahren verifizieren,
  • Abweichungen beurteilen und gezielt kompensieren.
WOZU

Um später fundierte Entscheidungen bei der Auslegung präziser analoger Verstärker- und Filterstufen in Entwicklung und Analyse treffen zu können. Die erlernten Inhalte sind zudem zum Verständnis des folge Modules “Fortgeschrittene Schaltungstechnik” erforderlich und stellen hierfür die notwendigen Grundlagen auf.

Inhalte
  • Grundlagen des Differenzverstärkers und Übergang zum Operationsverstärker,
  • Operationsverstärker: ideal vs. real, Modelle, Parameter, Grundschaltungen als Verstärker, Stabilisierung und Spannungsversorgung,
  • Bestimmung der Übertragungsfunktion, Eingangs- und Ausgangsimpedanz,
  • wichtige OPV-Schaltungen: Rechenschaltungen, Impedanzwandler, Gyrator, Instrumentenverstärker, Komparatoren, Sägezahn- und Sinusgenerator,
  • zweiseitige Laplace-Transformation, Bode-Diagramm, Pol-Nullstellen-Diagramm, Partialbruchzerlegung,
  • Frequenzgangkorrektur von Operationsverstärkern, Verstärkungs-Bandbreite-Produkt,
  • Toleranzdiagramme, Filtergüte, Gruppenlaufzeit, Minimal- und Maximalphasennetzwerke,
  • Realisierung von aktiven Filterschaltungen, Sallen & Key Filter-Topologie, Filter mit Mehrfachgegenkopplung,
  • Polynomfilter, Filter- und Bauelementtransformationen,
  • Dimensionierung von aktiven Filterschaltungen,
  • Grundlagen zu adaptiven Filtern und geschalteten Kondensatoren,
  • Grundlagen zur Netzwerk- und Filtersynthese mit Hilfe der Lovering-Topologie,
  • Empfindlichkeitsbetrachtungen und Sensitivitätsanalyse.
Prüfungsvorleistung

aktive Praktikumsteilnahme

Prüfungsleistung

Klausur, 120 Minuten

Literatur
  • Matthias Viehmann: Operationsverstärker: Grundlagen, Schaltungen, Anwendungen; Carl Hanser Verlag 2025.
  • Lutz v. Wangenheim: Aktive Filter und Oszillatoren: Entwurf und Schaltungstechnik mit integrierten Bausteinen; Springer 2007.
  • Wolfgang Reinhold: Elektronische Schaltungstechnik: Grundlagen der Analogelektronik mit Aufgaben und Lösungen; Hanser 2023.
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm: Halbleiter-Schaltungstechnik; Springer 2019.
  • Winfried Hill, Paul Horowitz: The Art of Electronics; Cambridge University Press 2015.