Labor Grundlagen der Elektrotechnik 2. Versuch 8: Teilschaltungen des Operationsverstärkers

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1 Studiengang lektrotechnik abor Grundlagen der lektrotechnik 2 ersuch 8: Teilschaltungen des Operationsverstärkers Modul/nit-Nr. TG Kurs-Nr. T..G... Name der/s Studierenden:... aborausarbeitung in Ordnung. aborausarbeitung ungenügend. Betreuer:... Ort/Datum:... nterschrift:...

2 1.Fragen zur inführung 1.1 Wie lässt sich der Basis-mitter-Widerstand B eines Transistors bestimmen? Wie ist der Kollektor-mitter-Widerstand C eines Transistors definiert? Welche Größenordnungen haben B, C und Stromverstärkung? 1.2 Wie lässt sich die Spannungsverstärkung einer mitterstufe ohne Widerstand im mitterkreis berechnen? Was ändert sich, wenn eingefügt wird? Seite 2 von 15

3 2.orbereitung erstärker für analoge Signale bestehen außer beim insatz im Bereich sehr hoher Frequenzen aus monolithisch integrierten Schaltungen. Diese sind in ihrem Aufbau der verwendeten Technologie angepasst und lassen auf den ersten Blick ihre Grundstruktur nicht erkennen. Bild 1 nennt die 3 Teilaufgaben, die bei diesen sog. Operationsverstärkern anfallen: u e1 u e2 eistungsverstärkung Differenzverstärkung Spannungsverstärkung u a ua= v(ue1 u e2) Bild 1 : Drei wesentliche Bausteine zur ösung dieser Aufgaben werden im Folgenden untersucht: Konstantstromquelle, Differenzverstärker und komplementärer Spannungsfolger. Dabei reicht es aus, die Beschreibung der Transistoreigenschaften auf Bild 2 zu beschränken. B : Basis B i B C C : mitter : Kollektor B i B C B: = T/I B :Basis-mitter-Widerstand C: =Kollektor-mitter-Widerstand :Stromverstärkung Bild 2: i B T : BasisstromimArbeitspunkt 26m :Temperaturspannung 0 bei 25 C Seite 3 von 15

4 2.1Die Konstantstromquelle I 0 I I I =I0- /0 = I di /d = -1/0 = - I 0 0 Bild 3 Bild 3 zeigt zwei äquivalente Schaltungen, die für 0 einen konstanten Strom I erzeugen. di / d strebt gegen 0, wenn der Quellenwiderstand 0 über alle Grenzen geht. Da der Strom I in der rechten Schaltung mit wachsendem 0 kleiner wird, müsste ein wachsendes 0 den Ausgleich schaffen. Mit kleinen Spannungen 0 lässt sich dann das gleiche Ziel erreichen, wenn eine Schaltung eingesetzt wird, die - in einem begrenzten Spannungsbereich - einen hohen dynamischen Innenwiderstand 0 aufweist. Dies leistet ein Transistor in mitterschaltung, bei dem der Kollektorwiderstand den astwiderstand bildet (vgl. Bild 4) B1 B C 0 B1 B2 B B I B I B C C C I 0 B2 I I B Bild 4 Seite 4 von 15

5 Der Gegenkopplungswiderständ Spannungsänderungen auftreten. C stellt hinreichend sicher, dass bei konstantem 0 nur d = d (2a) Ferner gilt für die ingangsmasche: 0 I B(B1 B2) IBB IB I (2b) und für den Kollektorknoten C: I = - IB- C/ C (2c) Der äquivalente Innenwiderstand 0 der Stromquelle gemäß Gl.(1) ergibt sich aus Gl.(2a, b, c) zu 0 C(1 ) B1 B2 B Aufgabe 1 a) erifizieren Sie Gleichung (3)! b) Wie groß ist 0 für C = 20 k, = 500, T = 26 m I IB 20mA 4,7k und 470? B1 B2 Aufgabe 2 In Bild 4 sei gegeben: = 30 ; B = 0,6 ; = 470. Wie ist der Spannungsteiler t B2 /(B1 B2 ) zu wählen, damit I = 2 ma wird? Seite 5 von 15

6 2.2 Der Differenzverstärker + ic ic + ic ic C C C C i1 i2 T1 u a1 u a2 T2 i1 i2 T1 u a1 u a2 T2 u 2 u 2 0 i 0 i - - (u +u )/2=u 1 2 G u- 2 =ud Bild 5a: (i 1+i 2)/2=iG i-i 1 2 =id Bild 5b: Die Schaltungen in Bild 5 sind symmetrisch aufgebaut mit gemeinsam benutztem 0. Zur Beschreibung ihrer igenschaften ist es günstig, die ingangsgrößen u,iundu,i umzudeuten in die Mittelwerte ugundigund die Differenzenu D undi D. Bei Gegentaktaussteuerung (Differenzaussteuerung) ist jeder Transistor mit u D/2( i D/2)bez. u D/2( i D/2) beteiligt; der Stromi ändert sich nicht. Somit arbeiten beide Transistoren als mitterstufen. Für Bild 5a gilt daher: 1 1 u u (bzw.u u ) C C C C a1 D a2 D 2 B 2 B Seite 6 von 15

7 Die Differenzverstärkung beträgt somit D ua1 1 C C u 2 ( ) D B C C ( B, C siehe Bild 2) (4a) In Bild 5b gilt für * = (1+ ) C C C B und B ß : D u 2 a1 C (4b) D Aufgabe 3 ollziehen Sie die Gleichungen (4a, b) mit den rkenntnissen des ersuchs 3 im 3. Halbjahr nach. Beachten Sie dabei vor allem die Bedeutung der oraussetzungen zu Gl (4b) im rsatzschaltbild der mitterschaltung ( für Konstantstromquelle) C* vgl. auch 0 der Die Gleichtaktverstärkung ergibt sich zu: u u a1 a2 C G (5) ug ug 20 ( i.a. 0 B/ ) Aufgabe 4 Welche einfache äquivalente mformung in den Bildern 5a,b zeigt die Gültigkeit der Gl (5)? Weitere igenschaften ergeben sich direkt aus den Bildern 5a,b und den Kenntnissen über die mitterschaltung: Differenzeingangswiderstand Bild 5a Bild 5b 2 B 2(B ) 2 Gleichtakteingangswiderstand B 2 0 B (20 ) 2 0 Ausgangswiderstand C C C C* Seite 7 von 15

8 Aufgabe 5 s ist vd v erwünscht. Wie ist dies zu erreichen? G Aufgabe 6 Welche Aufgabe und Wirkung haben die Widerstände? 2.3 Der komplementäre Spannungsfolger. T 1 u a1 T 1 u a1 u2 u2 T 2 T 2 Bild 6a: Bild 6b: Nach einer hohen Spannungsverstärkung, z.b. durch eine mitterstufe, bleibt die Aufgabe, mit einem kleinen Innenwiderstand eine große Ausgangsleistung bereitzustellen. Dazu bieten sich Spannungsfolger an. Wegen der symmetrischen Spannungsversorgung und dem Wunsch, zu 0 symmetrische Signale zu verstärken, ist der symmetrische mitterfolger geeignet. r arbeitet in einer Ausführung nach Bild 6a im Gegentakt (B-Betrieb), d.h. TundTwechseln 1 2 sich im Stromfluss ab (vgl. Bild 7a). Seite 8 von 15

9 u 2 u 2 t t Bild 7a: Bild 7b: In beiden Takten folgt das Ausgangssignal dem ingangssignal im Abstand B. Dies führt zu sog. Übernahmeverzerrungen, die verringert werden können durch gleichzeitiges eiten beider Transistoren (A-Betrieb) im Übernahmebereich. ine mögliche Ausführung zeigt Bild 6b: Die beiden Dioden DundDtrennen 1 2 die Basispotentiale von TundTso, 1 2 dass diese die Stromleitung stetig übergeben und übernehmen (Gegentakt-AB-Betrieb; vgl. Bild 7b). Die Widerstände begrenzen den Ausgangskurzschlussstrom. helfen dabei mit und 2.4 Der Operationsverstärker Die Schaltung in Bild 8 simuliert den Aufbau eines Operationsverstärkers. Zwischen Differenz- und Ausgangsstufe wirkt eine mitterstufe mit Transistor T 4. Ihr Kollektorwiderstand ist durch eine Stromquelle realisiert mit dem wirksamen (differentiellen) Widerstand 0 aus Gl. (3). ine weitere Stromquelle bildet den gemeinsamen mitterzweig des Differenzverstärkers. Seite 9 von 15

10 Bild 9 stellt einige wichtige Kenngrößen des Operationsverstärkers zusammen: u D u 2 ua = D : Differenzverstärkung G : Gleichtaktverstärkung G : Gleichtaktunterdrückung 0 : Offsetspannung I : ingangsruhestrom I 0 : ingangs-offset-strom D :Differenz-ingangswiderstand A :Ausgangswiderstand Bild 9 Aufgabe 7 Wie sind die Kenngrößen in Bild 9 definiert? ergleichen Sie hierzu Bild 10. i e i e1 u 0 ie 0 u D i 0 i e2 u`d e a i a 1 2 i e -v u`d v G u + u u a Gleichstromersatzschaltbild des Operationsverstärkers Bild 10 Aufgabe 8 Welche weiteren spezielle Transistorschaltungen kennen Sie? Welche orteile könnten Sie in der Schaltung aus Bild 8 bringen? Seite 10 von 15

11 3.Meßaufgaben und Auswertung 3.1 Konstantstromquelle + v 82k 22k P 1 10k C T 1 A 15 v BCY59D T1 470 v Bild 11 - Nehmen Sie die Schaltung nach Bild 11 in Betrieb. Wählen Sie I = 2 ma bei - erändern Sie. Messen Sie dabei. (Beachte: Messen Sie gleichzeitig I. =const.) Wie groß ist 0 / I C/ I 0 ergleichen Sie die Messung mit der theoretischen orhersage der Gl.(3) (Datenblatt!). Seite 11 von 15

12 3.2 Differenzverstärker mA 1k2 1mA 1k2 T,T :BCY59D 2 3 u a1 u a1 u 0 u 2 u G T2 T I =2mA 47k P 2 100k 0 aus 3.1 Bild 12 - Nehmen Sie die Schaltung nach Bild 12 in Betrieb; 0 ist dabei die Stromquelle aus 3.1. Wählen Sie I = 2 ma! Schließen Sie die Quellenu G und u 0 =u D an und überzeugen Sie sich von der Funktionstüchtigkeit des Differenzverstärkers durch Änderung von ug mit P 2. - Messen Sie v D = u al/u G. (erwenden Sie u0 als direkte, geerdete Quelle füru D, d.h. ohne Übertrager! ) - Messen Sie v G = u al /u G.(erwenden Sie u0 als Quelle füru G!) - ergleichen Sie die gemessenen Werte mit den theoretischen orhersagen der Gl.(4) und (5). Gilt Gl. (4b) für v D? - Wie groß ist die Gleichtaktunterdrückung G? Seite 12 von 15

13 - Wie groß müsste ein ohmscher Widerstand 0 sein, damit die Arbeitspunkte bleiben, d.h. u seinen Gleichwert behält, wenn u G = 0 ist? Wie groß ist dann die Gleichtaktunterdrückung G? 3.3 mitterstufe mit Stromquelle + 15 P 3 10k u B4 100 T:BCY78 4 T :BCY59D 5 T 4 82k u a 82k P 4 10k T 5 C=0 P 5 1k 100 Bild 13 Nehmen Sie die mitterstufe (T4) nach Bild 13 in Betrieb. Wählen Sie die Basisvorspannung B4 = 1,2. Stellen Sie über P,P 4 5 den Widerstand C = 0 der Stromquelle (T 5 ) so ein, dass u a ungefähr O wird. Messen Sie v u. ntspricht der Messwert Ihren rwartungen? Seite 13 von 15

14 3.4 Komplementärer Spannungsfolger + T u a 56 u a 10k T : 2N T :2N D,D :1N T 7 Bild 14 -Nehmen Sie die Schaltung nach Bild 14 in Betrieb. erwenden Sie als Stromquellen die Transistorstufen mit TundTaus Beobachten Sie das Übertragungsverhalten ua f(u e) mit und ohne Potentialverschiebung mit Hilfe der Dioden D 1 und D 2 Seite 14 von 15

15 3.5 Operationsverstärker u 2 u D stufe Differenzverstärker mitterstufe Kollektor- u a Bild15 - Stellen Sie die Teilschaltungen zum Operationsverstärker zusammen. (direkte KopplungT 3 T 4, PvonTtrennen! 3 4 ) - Überprüfen Sie v D und v G! Was hat sich gegenüber 3.2 ( Differenzverstärker ) geändert? - Bestimmen Sie den Differenzeingangswiderstand e und den Ausgangswiderstand! a Hu Seite 15 von 15