Labor für Analogelektronik. Versuch 1: Grundlagen der Operationsverstärker

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1 Labor für Analogelektronik Praktikum Analogelektronik Professor Dr.-Ing.Ulrich Ludemann Versuch 1: Grundlagen der Operationsverstärker Versuchstag: Gruppenteilnehmer: Bearbeiter: Dieses Blatt bitte vor Ihre Ausarbeitung heften. Die Versuchsanleitungen brauchen nicht abgegeben zu werden. Richtlinien für die Durchführung des Analogelektronikpraktikums: 1. Alle Versuche müssen zu Hause vorbereitet werden.. Zu jedem Praktikumsversuch findet am letzten Versuchstag ein Kolloquium statt. Anhaltspunkte für mögliche Fragestellungen sind dem jeweiligen Abschnitt "Fragen zum Kolloquium" zu entnehmen. 3. Zu jedem Versuch ist eine Ausarbeitung abzugeben. Diese Ausarbeitungen sind von wechselnden Gruppenmitgliedern auszufertigen. Ausarbeitungen müssen bis spätestens zwei Wochen nach Versuchsdurchführung abgegeben werden. 4. Das Praktikum läuft über die volle Zeit. Sollten Sie während einer Veranstaltung einen Versuch beenden, so beginnen Sie sofort darauf mit dem nächsten Versuch. 5. Es gilt die allgemeine Laborordnung der Fachhochschule Osnabrück. Insbesondere weisen wir Sie darauf hin, daß das Kopieren von Files, die Sie nicht selbst erzeugt haben, untersagt ist. Dies gilt auch für das Aufrufen von Software, die keinen direkten Bezug zum jeweiligen Laborversuch hat. 6. Das Praktikum ist eine Prasenzveranstaltung, bei der alle Mitglieder einer Gruppe zusammenarbeiten. Deshalb ist pünktliches Erscheinen wichtig. Zweimaliges unentschuldigtes Fehlen führt zum Ausschluss des Teilnehmers aus dem Praktikum, welches dann ineinem anderen Semester wiederholt werden muß. 1

2 Versuch 1: Grundlagen der Operationsverstärker Bild 1.1 zeigt den Meßaufbau für die Versuchsteile 1.1 bis 1., wobei jeweils nur ein Operationsverstärker verwendet wird. In diesem Schaltbild sind die Betriebsspannungsquellen noch eingezeichnet, dies ist in allen spätern Schaltbildern nicht mehr der Fall. 15V 15V = = R i = 10MΩ I +, TL081 V= V= I Osz. V= U a A= Poti 4.7kΩ I a K Elektronik-Platte a.) b) Bild 1.1: a.) Messung der Eingangsströme, b.) Messung der Belastbarkeit des Ausgangs Versuch 1.1: Messung der Eingangsströme des Zur Messung der Eingangsströme benötigt man hochempfindliche Amperemeter, die uns nicht zur Verfügung stehen. Statt dessen setzen wir Digitalvoltmeter ein. Diese besitzen im Millivoltmeßbereich einen Innenwiderstand von 10 MΩ. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.1a auf und verbinden Sie die COM -Anschlüsse der Multimeter mit Masse. Schalterstellung mv. Wählen Sie zwei Operationsverstärker vom Typ sowie einen OP vom Typ TL081 und messen Sie jeweils die Spannungsabfälle an den Meßgeräten. Berechnen Sie daraus die Ströme I + und I -. Betrachten Sie die Ausgangsspannungen der Operationsverstärker mit dem Oszillographen. Je nach Versuchsaufbau ist der Ausgangsspannung eine Wechselspannung überlagert. Wo rührt diese Wechselspannung her? Beim TL081 sind die gemessenen Werte sehr klein und damit die Meßgenauigkeit sehr gering. Sie sollten daher die gemessenen Werte nur als Hinweis für die Größenordnung der Eingangsströme werten. Bestimmen Sie den Biasstrom und den Offsetstrom gemäß und I BIAS I Offset I = I = I I

3 Versuch 1.: Belastbarkeit des Ausgangs eines Ab hier sind die Verbindungen der Operationsverstärker zum Netzgerät nicht mehr in den Schaltbildern dargestellt, müssen aber doch vorhanden sein. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.1b auf. Der OP ist völlig übersteuert. Der ist kurzschlußfest, sein Kurzschlußstrom wird aufgrund thermischer Effekte bei Dauerlast kleiner. Gehen Sie deshalb bei der Messung der Ausgangsströme wie folgt vor: Zuerst wird der Ausgang kurzgeschlossen und etwa zwei Minuten gewartet, bis der Kurzschlußstrom einen einigermaßen stationären Wert angenommen hat. Schalten Sie parallel zum Kurzschluß das 4.7k-Poti. Messen Sie die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom, indem Sie den Kurzschluß nur für kurze Zeit zur Messung aufheben. Stellen Sie eine Messreihe für die Ausgangsspannung u a auf, indem Sie den Strom von 0mA (Poti nicht angeschlossen) in Schritten von 3mA bis zum Kurzschluß erhöhen. Zeichnen Sie die Ausgangsspannung als Funktion des Ausgangsstromes. Versuch 1.3: Offsetspannung des Operationsverstärkers R = 1MΩ R = 100kΩ R 1 = 1kΩ R = 10k 1 Ω U o = + + u e ~ Ua R = 1k 3 Ω u a a.) b.) Bild 1.: a: Offsetspannungsmessung und b: Messung der Slew Rate Die Offsetspannung entsteht durch Unsymmetrien im Operationsverstärker. Man kann sie als Spannungsquelle U o modellieren, die zwischen den Eingängen des OP s liegt. Sie wird mit dem Gleichspannungsverstärkungsfaktor des beschalteten Operationsverstärkers verstärkt. Bestimmen Sie den Verstärkungsfaktor der Schaltung nach Bild 1.a. Bauen Sie die Schaltung auf und benutzen Sie dabei ein Operationsverstärkermodul ohne eingebaute Offsetspannungskompensation, kenntlich am fehlenden Loch. Dabei liegt der Widerstand R 1 mit dem linken Anschluß direkt an Masse. Die im Schaltbild eingezeichnete Spannungsquelle U O soll die Offsetspannung symbolisieren, ist in Wirklichkeit jedoch nicht vorhanden.. Messen Sie die Ausgangsspannung U a und berechnen Sie die Offsetspannung U o. Wozu dient der Widerstand R 3? Schließen Sie nun R 3 kurz und messen Sie die Ausgangsspannung erneut. Begründung? Heben Sie nun den Kurzschluß von R 3 wieder auf. Jetzt den linken Anschluß des Widerstandes R 1 an +15 Volt legen und den Ausgang für Minuten kurzschließen, damit sich das Chip erwärmt. Widerstand wieder an 0 Volt legen, Kurzschluß aufheben und die Ausgangsspannung messen. Wie groß ist nun die Offsetspannung? 3

4 Versuch 1.4: Slew Rate und Übersteuerungseffekte Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.b auf und steuern Sie die Schaltung mit einem Rechtecksignal der Frequenz 10kHz und einem Spitze-Spitze-Wert von Volt an. Oszillographieren Sie Eingangsund Ausgangsspannung mit einer zeitlichen Ablenkung von 10μsec/cm. Bestimmen Sie die Slew Rate SR = Δu a /Δt, indem Sie die Ablenkfaktoren so verändern, daß Sie nur noch die ansteigende Flanke auf dem Bildschirm haben. Messung mit der Cursor-Funktion des Oszillographen. Wechseln Sie den gegen einen TL081 aus und bestimmen Sie dessen Slew Rate. Ersetzen Sie den TL081 nun wieder durch einen und verdoppeln Sie nun die Eingangsspannung auf 4 V SS so daß die Schaltung übersteuert wird. Oszillographieren Sie nun wieder Eingangs- und Ausgangsspannung. Welche grundsätzliche Änderung kann man nun erkennen, besonders bei der abfallenden Flanke der Ausgangsspannung? Reduzieren Sie nun die Eingangsspannung auf ihren alten Wert von V SS (keine Übersteuerung) und oszillographieren Sie die Differenzspannung und die Ausgangsspannung. Berechnen Sie nun mit der ermittelten Slew Rate für den die maximale Frequenz für eine sinusförmige Spannung mit einer Ausgangsamplitude von 10 Volt gemäß SR = π * fmax * U amax Stellen Sie die Amplitude der Eingangsspannung mit der Frequenz f,max so ein, daß sich rechnerisch eine Ausgangsamplitude U amax von 10 Volt ergibt. Die Kurvenform ist Sinus. Oszillographieren Sie die Ausgangsspannung. Anschließend oszillographieren der Ausgangsspannung bei einer Frequenz von f=3*f max. Versuch 1.5: Invertierende Grundschaltung und Umkehraddierer Die Schaltung in Bild 1.b nennt man auch Invertierende Grundschaltung. Sie soll nun weiter untersucht werden. Bauen Sie die invertierende Grundschaltung aus Bild 1.3a auf. R = 100k Ω i e1 u e ~ A~ R = 10k 1 Ω V~ + A~ ua u e1 i e u e A= + u a a.) b.) Bild 1.3: a: Invertierende Grundschaltung und b: Umkehraddierer In Reihe mit dem Widerstand R 1 liegt ein als Wechselstromamperemeter geschaltete Multimeter, am Knoten zwischen Amperemeter und Widerstand liegt ein Voltmeter. Stellen Sie eine Eingangsspannung mit einem Effektivwert von etwa 0.7 Volt ein, die Frequenz des sinusförmigen Signales betrage 500 Hz. Kontrollieren Sie mit dem Oszillographen, ob die Ausgangsspannung verzerrt ist. Messen Sie den Strom durch den Widerstand und bestimmen Sie den Eingangswiderstand der Schaltung. Wie groß ist der Strom durch den Widerstand R? Bestimmen Sie aus diesem Strom den Effektivwert der Ausgangsspannung. 4

5 Entfernen Sie nun die Multimeter aus der Schaltung. Stellen Sie die Eingangsspannung nun so ein, daß bei 50 Hz die Ausgangsspannung verzerrt ist. Kanal 1 des Oszillographen wird mit dem Eingang, Kanal des Oszillographen mit dem Ausgang verbunden. Der Oszillograph wird auf XY- Betrieb eingestellt und die Kennlinie der Schaltung aufgenommen. Nun die Eingangsspannung soweit verringern, daß sich eine Ausgangsspannungsamplitude von 0.5 V ergibt. Dabei wieder die Zeitablenkung einschalten. Wie groß ist die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung? Die Frequenz auf 50 khz vergrößern. Kontrollieren, ob die Kurvenform noch sinusförmig ist. Ist die Phasenverschiebung konstant geblieben? XY-Betrieb, bei f=50khz Kennlinie oszillographieren. Woher rührt die Lissajous-Figur? Verbinden Sie zum Messen der Differenzspannung den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit dem Verstärker der Elektronikeinheit (v=1). Der Ausgang des Verstärkers wird mit dem Kanal 1 des Oszillographen verbunden. Schalten Sie Kanal ab. Messen Sie die Amplitude der Differenzspannung für f=50hz, 500Hz, 5 khz, 50kHz, 500kHz. Die Amplitude der Eingangsspannung betrage jeweils 100mV. Ablesbare Ergebnisse sind erst ab 5 khz zu erwarten. Jetzt den Generator auf Rechtecksignal umstellen. Die Frequenz sei 5kHz. Oszillographieren Sie Ausgangsspannung (Kanal ) und Differenzspannung (am Verstärker). Woher rühren die Nadelimpulse der Differenzspannung? Bauen Sie den Schaltung nach Bild 1.3b auf. An den Ausgang des Operationsverstärkers wird der Oszillograph angeschlossen. Stellen Sie eine Hilfsspannungsquelle auf eine Spannung von 1 Volt ein und legen Sie die Spannung an den Eingang u e1 an. Messen Sie den sich einstellenden Strom und bestimmen Sie den Eingangswiderstand r e1. Welche Ausgangsspannung müßte sich einstellen? Kontrolle mit Hilfe des Oszillographen. Wiederholen Sie den Vorgang am Eingang u e. Entfernen Sie das Amperemeter und schließen ein Voltmeter (Gleichspannung) zusätzlich zum Oszillographen an den Ausgang an. An u e1 ein Sinussignal 500 Hz, Amplitude 0.1V sowie eine Gleichspannung von 1 V an u e. Messen der Ausgangsgleichspannung, oszillographieren von u e1 und u a. Nun die Amplitude des Sinussignales auf 1 Volt, so daß die Ausgangsspannung deutlich verzerrt ist. Oszillogramm, Messen der Ausgangsgleichspannung U a mit dem Multimeter. Erklärung für die Änderung der Gleichspannung aus dem arithmetischen Mittelwert der Wechselspannung. Versuch 1.6: Invertierende Grundschaltung als Konstantspannungsquelle Im Bild 1.4 wird der Operationsverstärker als Konstantspannungsquelle eingesetzt. (Dies kann in der Praxis auch eine Wechselspannung sein.) 10kΩ 10kΩ I a U e = + V= U a A= Poti 4.7kΩ Bild 1.4: Invertierende Grundschaltung als Konstantspannungsquelle 5

6 Benutzen Sie als Signalquelle die Referenzspannungsquelle und stellen Sie sie auf -5V ein. Messen Sie die Ausgangsspannung ohne Belastung (Poti nicht angeschlossen). Schließen Sie nun das Poti an und messen die Ausgangsspannung U a als Funktion von I a in Schritten von 3mA. Zeichnen Sie die Ausgangsspannung als Funktion des Ausgangsstromes und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem vom Versuch 1. (unbeschalteter Operationsverstärker). Versuch 1.7: Invertierende Grundschaltung als Konstantstromquelle Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.5 auf. Die Eingangsspannung U e ist gleich -5 Volt. Poti 4.7kΩ 1kΩ A= I K U e = + V= U a Bild 1.5: Invertierende Grundschaltung als Konstantstromquelle Berechnen Sie den Strom I K, der aufgrund U e fließen müßte. Messen Sie den Strom als Funktion der Ausgangsspannung U a beginnend vom Zustand der Übersteuerung bis zum Kurzschluß des Potentiometers in Schritten von Volt. Dividieren Sie die Ausgangsspannung durch den gemessenen Strom und tragen Sie den Strom I K als Funktion des Poti-Widerstandes auf. Die Meßwerte bei Übersteuerung können dabei weggelassen werden. Versuch 1.8: Nichtinvertierende Grundschaltung Bauen Sie die nichtinvertierende Grundschaltung nach Bild 1.6 auf. Schließen Sie den Oszillographen an den Ausgang des Operationsverstärkers an. u e ~ A~ i e + R = 100k Ω u a R = 10k 1 Ω Bild 1.6: Nichtinvertierende Grundschaltung Stellen Sie mit Hilfe eines Multimeters die Eingangsspannung auf einen Wert von 0.7 V eff ein. Die Frequenz des Signales sei 500 Hz, die Kurvenform Sinus. Messen Sie die Ausgangsspannung u a mit dem Multimeter und bestimmen Sie die Spannungsverstärkung v u. Ist der Operationsverstärker übersteuert (Oszillograph)? Messen Sie den Eingangswechselstrom i e. Vergrößern Sie die Eingangsspannung so stark, daß der OP deutlich übersteuert. Wie groß ist nun der Eingangswechselstrom? 6

7 Versuch 1.9: Subtrahierer Bauen Sie die Subtrahierschaltung aus Bild 1.7 auf und schließen Sie am Ausgang des Operationsverstärkers den Oszillographen an. R =47k 1 Ω R =100k Ω u e1 ~ u e ~ R =47k 3 Ω Poti 4.7kΩ + R =100k 4 Ω u a Bild 1.7: Subtrahierer Verbinden Sie die beiden Eingänge des Subtrahierers miteinander und legen Sie eine Eingangsspannung u e an: Sinus 500 Hertz, Effektivwert 6 Volt (Multimeter). Nun drehen Sie am 4.7kΩ-Poti so lange, bis die Ausgangsspannung ein Minimum erreicht hat. Messen Sie u e und u a mit dem Multimeter. Bestimmen Sie die Gleichtaktverstärkung v Gl des Schaltung: u v Gl = u a e Nun die Betriebsspannung abschalten, den Operationsverstärker herausnehmen, die Verbindung zum Generator lösen, so daß die Widerstände isoliert sind. Messen Sie die folgenden Widerstände: - R 1 - R - R A = R 3 + Poti bis Schleifer - R B = R 4 + Poti bis Schleifer Bilden Sie die Quotienten R /R 1 und R B /R A Stellen Sie die Schaltung wieder her und messen Sie für u e1eff =1 Volt die Ausgangsspannung u a. Der Eingang u e ist dabei an Masse zu legen. Bestimmen Sie die Differenzverstärkung v D : u v D = * u a e1 Der Faktor rührt daher, daß wir nur mit einer Spannung aussteuern und nicht mit zwei entgegengesetzt gleich großen Spannungen. Wie groß ist die Gleichtaktunterdrückung G? G = v v D Gl 7

8 1.10 Fragen zum Kolloquium 1. Eigenschaften eines idealen Operationsverstärkers: Spannungsverstärkung, Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand?. Was ist die Offsetspannung eines Operatiosverstärkers, was die Slew Rate? 3. Wie groß ist die Differenzspannung u D bei einem idealen, gegengekoppelten Operationsverstärker? 4. Eigenschaften der invertierenden Grundschaltung (Bild 1.3a): Spannungsverstärkung, Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand (bei idealem OP). 5. Eigenschaften der nichtinvertierenden Grundschaltung (Bild 1.6): Spannungsverstärkung,Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand (bei idealem OP). 6. Warum ist die Differenzspannung bei realen gegengekoppelten Operationsverstärkern ungleich Null und warum ist die Höhe der Differenzspannung frequenzabhängig? 7. Welcher Eingangswiderstand ist beim Subtrahierer (Bild 1.7) konstant (idealer OP): Der Eingangswiderstand der oberen Klemmen gegen Masse (bei u e1 ) und/oder der Eingangswiderstand der unteren Klemmen gegen Masse (bei u e )? 8

9 Versuch 1.1: Eingangsströme Anhang: Meßprotokolle OP U + /mv U - /mv I + /na I - /na I Bias I Offset TL081 Versuch 1.: Ausgangsspannung und Ausgangsstrom als Funktion des Belastung I a /ma U a /V Abhängig vom Kurzschlußstrom des jeweiligen Operationsverstärkers sind die letzten Werte der Meßreihe eventuell nicht möglich. Kennlinie U a als Funktion von I a zeichnen. Versuch 1.3: Offsetspannung Ausgangsspannung U a = V Offsetspannung U o = V Ausgangsspannung U a ohne R 3 : V Ausgangsspannung mit R 3 nach Erwärmung: V 9

10 Versuch 1.4: Slew Rate und Übersteuerungseffekte Oszillogramm Eingangsspannung/Ausgangsspannung Slew Rate des : Δu a /Δt= = V/μsec Slew Rate des TL081: Δu a /Δt= = V/μsec Oszillogramm Eingangsspannung/Ausgangsspannung bei Übersteuerung Oszillogramm Differenzspannung/Ausgangsspannung ohne Übersteuerung f max SR = = π * U amax Oszillogramm Ausgangsspannung f=f max Oszillogramm Ausgangsspannung f=3f max Versuch 1.5a: Invertierende Grundschaltung Gemessene Eingangsspannung: Gemessener Eingangsstrom: Berechneter Eingangswiderstand: V μa kω Gemessener Strom im Rückkopplungskreis: Berechnete Ausgangsspannung: u a =i*r = μa V u a /u e Kennlinie für v=10, 50 Hz Phasenverschiebung bei 50Hz: u a /u e Kennlinie für v=10, 50 khz Differenzspannung als Funktion der Frequenz: Frequenz/ Hz k 50k 500k Differenzspannung VSS Oszillogramm Ausgangsspannung und Differenzspannung bei Rechtecksignal 5kHz. Die Nadelimpulse der Differenzspannung: 10

11 Versuch 1.5b: Umkehraddierer ue1/v= ie1/ma= re1/ω= ua/v= ue/v= ie/ma= re/ω= ua/v= Mit Sinussignal (U a ist die Gleichspannung, die mit dem Multimeter gemessen wird) u e1 =0.1V U a = V (unverzerrt) u e1 =1V U a = V (verzerrt) Oszillogramm u e1 =0.1 Volt, u a Oszillogramm u e1 =1 Volt, u a Erklärung für die Änderung der gemessenen Ausgangsgleichspannung: 1.6: Invertierende Grundschaltung als Konstantspannungsquelle Ia/mA Ua/V Anmerkung: Je nach Operationsverstärker lassen sich die letzten Meßwerte nicht aufnehmen, da die Kurzschlußsicherung des Operationverstärkers den Strom bereits begrenzt. Kennlinie U a als Funktion von I a zeichnen Vergleich mit Versuch 1.: 11

12 1.7: Invertierende Grundschaltung als Konstantstromquelle Ua/V 13 IK/mA RPoti/Ω Versuch 1.8: Nichtinvertierende Grundschaltung ue = ua= ie= μa ue = ua= ie= μa Versuch 1.9: Subtrahierer Gleichtaktverstärkung G: ueeff/v= uaeff/mv= vgl Widerstände: R1/kΩ= R/kΩ= R/R1= RA/kΩ= RB/kΩ= RB/RA= Differenzverstärkung: ue1eff/v= uaeff/v= v=ua/ue1= Gleichtaktunterdrückung: G= 1