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Artur Kaufman
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1 Elektrotechnik Praktikum 3 Operationsverstärker Aufgabe 1) Klemmenverhalten eines Operationsverstärkers (Eigenschaften, Kennwerte, Übertragungskennlinie) Eigenschaften Ein OPV ist ein mehrstufiger, hochverstärkender, galvanisch gekoppelter Differenzverstärker. Er kann sowohl Gleich- als auch Wechselspannung verstärken. Der OPV hat einen positiven und einen negativen Eingang, die Differenz beider Spannungen wird verstärkt auf dem Ausgang ausgegeben. Operationsverstärker haben als Eingangsstufe immer einen Differenzverstärker. Danach kommt eine zweite Verstärkerstufe, eine Kurzschlußsicherung und am Ausgang ein Gegentaktverstärker. Dies variiert in speziellen Anwendungen. Bei zu hoher Frequenz ist keine Verstärkung möglich. Kennwerte Verstärkungsgrad oder Verstärkung Leistungsverstärkung v p = P 2 = U 2 * I 2 = v u * v i P 1 U 1 * I 1 mit Spannungsverstärkung v u = U 2 /U 1 Verhältnis Eingangs-/Ausgangsgrößen Eingangswiderstand R EIN = U 1 /I 1 Ausgangswiderstand R AUS = U 2 /I 2 R AUS = U 2 * I 1 = v u * v i R EIN U 1 * I 2 Frequenzbandbreite b= f o f u mit f o obere Grenzfrequenz f u untere Grenzfrequenz Nichtlineare Verzerrung: werden bei Verstärkern am häufigsten durch den Klürfaktor k angegeben k = Effektivwert aller Oberwellen Effektivwert aller Harmonischen k = U 2 ² eff + U 3 ² eff +... U 1 ² eff + U 2 ² eff + U 3 ² eff +... k wird meist in Prozent angegeben Störabstand U 2 nutz U 2 stör - gibt die maximale Nutzspannung zur Störspannung am Ausgang des Verstärker an - die Störspannung misst man bei voll aufgedrehten Lautstärkeregler und kurzgeschlossenem Eingang (Eingangsignal = 0) Einschwingen - durch starke Impulse können die im Verstärker durch die Bauelemente und deren Aufbau ungewollte entstandenen Schwingkreis zum Schwingeinsatz angestoßen werden - Untersuchung: Rechteckspannung am Eingang anlegen und Ausgang oszillografieren Brumm Modulation: die durch ungewollte Siebung der Netzbrummspannung im Ausgangskreis der Endverstärker herrührende Brummmodulation ermittelt man durch Seite 1 von 13

2 den Modulationsgrad m Br als Verhältnis der Amplitudenänderung zur mittleren Amplitude bei const. Eingangsspannung m Br = U 2 U 1 =const U 2 mittel Übertragungskennlinie U o +U s U o U I0 U I1 U I2 Klemmenverhalten statische Übertragungskennlinie eines Operationsverstärkers mit Offsetfehler nichtinvertierender Eingang 2 invertierender Eingang 3 Ausgang Seite 2 von 13

3 Aufgabe 2) Schaltbilder und Verstärkungsbeziehungen für den nichtinvertierenden und invertierenden Verstärker Nichtinvertierender Verstärker R 2 R 1 Anpassverstärker für Signale mit hohem Widerstand = 1 + R 2 R 1 für V o V o... Verstärkung Seite 3 von 13

4 invertierender Verstärker R 2 R 1 analoger Filter, statt. und dynamische Beschaffung = - R 2 R 1 für V 0 Seite 4 von 13

5 nichtinvertierender Verstärker 10V -5V 5V -10V φ 2 = φ 3 = 0V Verstärkungsfaktor = U 1 und Spannungsteiler V u = R 1 +R 2 /R 1 = U 1 = * R 1 R 2 = R 1 = [10 kω ] 1 + R 2 /R 1 (R 1 + R 2 ) = = R 1 + R 2 Eingangswiderstand U 1 R 1 re = U E /I E = 1 + R2 = G R1 Spannungsfolger für leistungslose Messung R2 = 0 R1 = G = u a u e G Verstärkung Anwendung: Koppelt man die ganze Ausgangsspannung auf den Eingang zurück (R 2 =0 Ohm, R 1 =unendlich), dann arbeitet die Schaltung mit V u = 1 als Impedanzwandler (Widerstandswandler) Seite 5 von 13

6 invertierender Verstärker G = -1 φ 2 = φ 3 = 0V wegen φ 3 an Masse und I I = 0A! I 1 + I 2 0A = 0 I 1 = - I 2 = G = - R 2 R 1 = U 1 = - U 2 = - U 1 R 1 R 1 R 2 R 2 Anwendung : als Inverter G = -1 als Spannungsverstärker G <> 1 als Filter oder Regler Verstärkungsfaktor V u = U A /U RE = R K /R E Eingangswiderstand r e = U E /I E = R E Anwendung: Ein Mangel dieses Verstärkers ist der relativ niedrige Eingangswiderstand. Er kann mit dem Widerstand R E bestimmt werden. Bei hoher Verstärkung muss der Widerstand R K einen übermäßig hohen Wert haben. Da ein Verstärkungsfaktor V u von 1 möglich ist, kann der Ve4rstärker in der Filtertechnik verwendet werden. Seite 6 von 13

7 Aufgabe 3) Schaltbilder und Arbeitsweise von Additions-, Subtraktions-, Integrationsund Differentiationsschaltung mit Operationsverstärker. Additionsschaltung Stromsummation am negativen Eingang R e1 1 R e2 2 R e3 3 Seite 7 von 13

8 Subtraktionsschaltung Kombination aus invertierender und nichtinvertierender Beschaltung R 2 R 1 R 3 U 1 U 2 R 4 V 2 V 1 Seite 8 von 13

9 Integrationsschaltung Hier wird der Gegenkopplungswiderstand des invertierten Verstärkers durch einen Kondensator ersetzt. C R Differentiationsschaltung Der Eingangswiderstand vor dem invertierenden Eingang wird durch einen Kondensator ersetzt. R C Seite 9 von 13

10 Aufgabe 4) Schmitt Trigger Operationsverstärker schaltet bei Spannungsschwelle, dafür sind die Widerstände verantwortlich Schaltpunkte der ansteigenden und der abfallenden Flanke unterscheiden sich die Hysteresespannungen R 1 R 2 die Ausgangsspannung kippt bei Erreichen eines bestimmten Eingangsspannungswertes von U BAT nach + U BAT. Sinkt die Eigenspannung auf einen bestimmten Wert, so kippt die Ausgangsspannung zurück auf U BAT. in Verbindung mit einen Operationsverstärker, hierbei wird der OPV mit einem Widerstand mitgekoppelt. Die Schaltung arbeitet dann als Sinus-Rechteck-Wandler Seite 10 von 13

11 Spannungsverlauf Werden digitale Signale über lange Kabelstrecken geschickt, so verändert das Tiefpaßverhalten der Kabel das Signal so stark, so daß digitale Verknüpfungsglieder diese nicht mehr verarbeiten können. Ein Schmitt-Trigger gewinnt nun aus dem mangelhaften digitalen Signal die ursprüngliche Form wieder zurück. Im Prinzip hat jede digitale Verarbeitungsschaltung einen Schmitt-Trigger als Eingangsstufe. In größeren digitalen Schaltungen werden Schmitt-Trigger auch als Wiederaufbereiter und Signalverstärker verwendet. Spannungshysterese: Bei Erhöhung der Eingangsspannung werden die Linien auf der waagerechten Achse länger! Sinuswelle wird auf Rechteck umgewandelt. Seite 11 von 13

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