PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER

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1 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER CHRISTIAN PELTZ Inhaltsverzeichnis 1. Versuchsbeschreibung Ziel Aufgaben Vorbetrachtungen 2 2. Versuchsdurchführung Messung der wichtigsten Eigenschaften von Operationsverstärkern Untersuchung von Grundschaltungen Strom-Spannungswandler Versuchsbeschreibung 1.1. Ziel. Die wichtigsten OV-Denndaten sind mit indirekten Meÿmethohden zu bestimmen. Die Eigenschaften der OV-Grundschaltungen sind zu untersuchen und die Auswirkung der Abweichung der realen von den idealen Kenndaten ist zu analysieren Aufgaben Messung der wichtigsten Eigenschaften von Operationsverstärkern. Osetspannung (Abbildung 2.1) Eingangsruhestrom (Abbildung 2.2) Leerlaufverstärkung und Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz (Abbildung 2.5) Gleichtaktunterdrückung (fakultativ) Untersuchung von Grundschaltungen. Invertierender Verstärker (Abbildung 2.7) Die Spannungsverstärkung eines invertierenden Verstärkers mit R e = 10kΩ und R g = 100kΩ ist für 3 verschiedene Frequenzen nach Betrag und Phase zu ermitteln. Als Eingangsspannung ist eine Sinusspannung mit U eff = 0, 1V zu verwenden. Oberhalb der oberen Grenzfrequenz sind die Oszillogramme von U e und U a auszudrucken und zu diskutieren. Nichtinvertierender Verstärker (Abbildung 2.11) Bauen Sie einen nichtinvertierenden Verstärker mit der Verstärkung ν u = 3 auf. Schalten Sie an den Eingang eine Rechteckspannung und bestimmen Sie die Verstärkung und die slew rate. Date:

2 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 2 Strom Spannungswandler (Abbildung?) Schalten Sie an eine Fotodiode einen Strom-Spannungswandler und messen Sie die Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Beleuchtungen. Erweitern Sie die Schaltung zu einem Schwellwertschalter, indem Sie einen Komparator (Schmitt-Trigger) an den Ausgang des OV 1 schalten. Wählen Sie U ref innerhalb des Variationsbereiches von U a1 und ändern Sie wieder die Beleuchtung Vorbetrachtungen Operationsverstärker. Ein Operationsverstärker dient wie andere Verstärker auch zur Strom- bzw. Spannungsverstärkung, jedoch wird die Wirkungsweise eines Operationsverstärkers vorrangig durch eine äuÿere Gegenkopplungsschaltung bestimmt. Diese Verstärker zeichnen sich durch hohe Eingangswiderstände, niedrige Ausgangswiderstände und sehr hohe Spannungsverstärkungen aus. Operationsverstärker werden als Dierenzverstärker genutzt. Um den Ausgang sowohl positiv als auch negativ aussteuern zu können benötigt der OV eine positive und eine negative Betriebsspannung die in der Regel bei U B ±15V liegt. Um reale Operationsverstärker zu beschreiben reicht es einige wichtige Kenndaten zu kennen Oset. Der ideale OV hat in seiner Übertragungskennlinie bei einer Eingangsspannungsdierenz von 0 auch einen Nulldurchgang. Beim realen OV verhält sich dies anders. Der Nulldurchgang ist hier um eine bestimmte Spannungsdierenz verschoben. Diese Dierenzspannung wird Osetspannung genannt Eingangsruhestrom. Der ideale Operationsverstärker hat einen unendlichen hohen Eingangswiderstand. Der Eingangsruhestrom ist der Strom der infolge der endlichen Eingangswiderstände ieÿt slew Rate. Die slew Rate charakterisiert das Vermögen der Verstärkerschaltung schnellen Spannungswechseln zu folgen und ist deniert als maximales U t. 2. Versuchsdurchführung 2.1. Messung der wichtigsten Eigenschaften von Operationsverstärkern verwendete Geräte. Oszillograf Nr.3 Voltmeter Funktionsgenerator Gleichspannungsquelle Doppel OV B082 OV A-109

3 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 3 Abbildung 2.1. Oset-Spannung Osetspannung. Es wurde die Schaltung nach Abbildung 2.1 mit einem Doppel OV B082 aufgebaut. Da U d beim realen Verstärker in der Regel nicht 0 ist wird U d durch die Quasispannungquelle U I0 auf Null abgeglichen. Unter diesen Annahmen kann man folgende Zusammenhänge aufstellen. U a = U Rk + U R1 U IO = U d + U R1 mit V = U a U d gilt dann: U IO = U d + U a R 1 R 1 + R k U IO = U a ( 1 V + R 1 R 1 + R k ) R 1 U IO = U a ( 1 R 1 + R k + 1) R 1 + R k V R 1 wenn man V 10 4 abschätzt kann man einen Term vernachlässigen und U IO ergibt sich zu U IO = U a R 1 R 1 + R k Im Experiment wurde bei einer Betriebsspannung von U B = ±12V und Widerstandswerten von R k = 100kΩ sowie R 1 = 10kΩ ein U a = 970µV bestimmt. Daraus ergibt sich für U IO :

4 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 4 100kΩ U IO = 970µV 100kΩ + 10kΩ = 880µV Abbildung 2.2. Eingangsruhestrom Eingangsruhestrom. Zur Bestimmung des Eingangsruhestroms für den Doppel OV B082 und den OV A 109 wurden Schaltungen nach Abbildung 2.2 aufgebaut, wobei beim OV A 109 vor der Messung noch eine Frequenzgangkompensation durchgeführt wurde. Bei geschlossenem Schalter ist der Kondensator überbrückt und kann sich deshalb nich auaden. Schlieÿt man den Schalter lädt sich der Kondensator durch den Eingangsruhestrom auf und es gilt folgender Zusammenhang: C = Q U Die Anstiege U t I B = Q t = C U t wurden wurden aus Oszillogrammen 2.3 und 2.4 bestimmt.

5 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 5 Abbildung 2.3. Doppel OV B082 Abbildung 2.4. OV A 109 Doppel OV B082 OV A 109 I B = C U t I B = C U t U t = 65mV 8s U t = 2nF 65mV 8s = 1, 875V 8s = 1µF 1, 875mV 8s = 16pA = 0, 23µA

6 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 6 Der Eingangsruhestrom des A 109 ist ca mal gröÿer als der des OV B082. Der Grund für den Unterschied ist, dass der A 109 ein bipolarer OV und der OV B082 ein FET Verstärker ist, also einen wesentlichen höheren Eingangswiderstand hat. Abbildung 2.5. Leerlaufverstärkung Leerlaufverstärlung und Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz. Es wurde mit einem 4-fach OV B082 eine Schaltung nach Abbildung 2.5 aufgebaut. Es gelten folgende Beziehungen: V = U a U 3 = U a U 1 R2 + R 3 R 3 Es wurden für verschiedene Frequenzen die folgenden Werte gemessen bzw. berechnet.

7 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 7 Tabelle 1. Leerlaufverstärkung f/khz U 1 /mv U a /V φ/ V 0,1 32,9 5, , , , , , ,6 Die Ergebnisse der Messungen sind in Abbildung 2.6 noch einmal graphisch dargestellt. Man erkennt deutlich den linearen Abfall in der logarithmischen Darstellung. Abbildung 2.6. Verstärkung-Frequenz Plot 2.2. Untersuchung von Grundschaltungen.

8 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 8 Abbildung 2.7. invertierender Verstärker Invertierender Operationsverstärker. Es wurde ein invertierender Verstärker nach Abbildung 2.7 aufgebaut. Da beim idealen Verstärker I D und U D gleich Null sind gelten die folgenden Beziehungen: I Re = I Rg U e R e = U a R g U a U e = R g R e Das Minuszeichen bedeutet eine Phasenverschiebung von 180 und gibt dem Verstärker seinen Namen. Bei den gegeben Werten von R e = 10kΩ und R g = 100kΩ ist ein Verstärkung von V 10 zu erwarten. Es waren bei Einspeisung einer Sinusspannung von U eff = 0, 1V drei Fälle zu diskutieren: Verhalten unterhalb der Grenzfrequenz Als erstes wird das Verhalten unterhalb der Grenzfrequenz untersucht. Hierfür wurden Ein- und Ausgangsspannung für f = 2, 7kHz oszillograert.

9 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 9 Abbildung 2.8. unterhalb der Grenzfrequenz Aus der Abbildung ist abzulesen das weit unterhalb der Grenzfrequenz die zu erwartende Phasenverschiebung von ϕ 180 auftritt. Die Spannungsverstärkung verhält sich mit V = U a U e = 2,750V 287,5mV = 9, 6 ebenfalls den Erwartungen entsprechend. Die Form der Ausgangsspannung ist sinusförmig, zeigt also keine Verzerrungen oder ähnliches. Verhalten bei der Grenzfrequenz Da bei der Grenzfrequenz per Denition eine Phasenverschiebung von 45 auftritt wurde als erstes eine Frequenz gesucht bei der eine Phasenverschiebung von ϕ = = 135 auftritt. Dies war bei f = 132kHz der Fall. Abbildung 2.9. Grenzfrequenz

10 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 10 Die Spannungsverstärkung beträgt hier V = U a U e = 2,281V 312,5mV = 7, 3. Dies sind nahezu 70% der Maximalverstärkung, wie die Denition der Grenzfrequenz es vorsieht. Verhalten oberhalb der Grenzfrequenz Zur Untersuchung dieses Verhaltens wurden Werte weit oberhalb der Grenzfrequenz, bei f = 1, 74MHz aufgenommen. Abbildung oberhalb der Grenzfrequenz Die Spannungsverstärkung beträgt hier V = U a U e = 137,5mV 300,0mV = 0, 46. Es tritt also garkeine Verstärkung mehr auf. Dies ist auf die geringe Pasenverschiebung von ϕ = 28, 5 zurückzuführen.

11 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 11 Abbildung nichtinvertierender Operationsvestärker nichtinvertierender Operationsverstärker. Es wurde ein nichtinvertierender Operationsverstärker nach Abbildung 2.11 aufgebaut. Es gelten folgende Beziehungen: U a = U Rg + U RT U a U e = R g + R T R T Mit der in der Aufgabestellung geforderten Spannungsverstärkung V = 3 ergibt sich: 2R T = R g Als Widerstandswerte wurden R g = 20kΩ und R T = 10kΩ gewählt. Für die Messungen wurde eine Rechteckspannung als Eingangssignal benutzt.

12 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 12 Abbildung Übertragungsverhalten nichtinvertierender Operationsverstärker Die Spannungsverstärkung V = U a U e = 875,0mV 287,5mV = 3, 04 liegt sehr dicht beim errechneten Wert. Zur Bestimmung der slew Rate wurde die Frequenz erhöht um die Verzögerung entsprechend auösen zu können. Abbildung slew Rate Aus dem Oszillogramm lässt sich folgende slew Rate bestimmen: S = U a t = 556.2mV 200ns = 2, 78 mv ns

13 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 13 Abbildung Strom-Spannungswandler 2.3. Strom-Spannungswandler. Zur Untersuchung des Verhaltens eines Strom- Spannungswandlers wurde eine Schaltung nach Abbildung 2.14 aufgebaut. Um das Verhalten der Schaltung zu untersuchen wurde die Ausgangsspannung für verschiedene Beleuchtungsstärken oszillograert. Abbildung volle Beleuchtungsstärke

14 PROTOKOLL ZUM VERSUCH OPERATIONSVERSTÄRKER 14 Abbildung geringere Beleuchtungsstärke Es wird eine dem Fotodiodenstrom proportionale sinusförmige Spannung mit einer Frequenz von 50Hz oszillograert. Dies entspricht der Netzfrequenz und ist auf die Neonröhren im Versuchsraum zurückzuführen. Es gibt pro Schwingung zwei positive Peaks denn die Fotodiode unterscheidet nicht ob der Lichtblitz durch eine positive oder negative Halbwelle der Netzsinusspannung hervorgerufen wurde. Mit abnehmender Beleuchtungsstärke sinkt wie zu erwarten auch die Stromstärke und damit die Ausgangsspannung Für die Erweiterung der Schaltung zu einem Schwellwertschalter blieb leider nicht genügend Zeit.