Serie 5: Operationsverstärker 2 26./

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1 Elektronikpraktikum - SS 204 H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen Gebäude (Anfängerpraktikum). Stock, Raum 430 Serie 5: Operationsverstärker 2 26./ I. Ziel der Versuche Aufbau und Verständnis von Schaltungen mit Operationsverstärkern. II. Vorkenntnisse Analyse komplexer Operationsverstärkerschaltungen (idealer OP), positive Rückkopplung bei Operationsverstärkern (Komparator, Schmitt-Trigger), Schwingungsschaltungen (Multivibrator). Anwendungsbeispiele mit Operationsverstärkern In der heutigen Praktikumsserie sollen einige Anwendungen von Operationsverstärkerschaltungen mit negativer und positiver Rückkopplung vertieft werden. Die Schaltungen werden auf der vorbereiteten Experimentierplatine aufgebaut. Spitzenspannungsmesser (Sample and Hold) Oft sind die Signale von Detektoren nur für einen kurzen Zeitraum vorhanden und man interessiert sich für die maximale Höhe des Impulses. Beispiele sind der Energieverlust eines geladenen Teilchens in einem Halbleiterzähler oder die Lichtintensität einer Photodiode bei Bestrahlung mit einem Impulslaser. Um diese Signale z.b. mit einem Analog zu Digitalkonverter (ADC) weiterzuverarbeiten, ist es notwendig, die maximale Impulshöhe für einen längeren Zeitraum (Sample and Hold) konstant zu halten. In dieser Zeit kann dann der ADC das Signal digitalisieren.. Machen Sie sich zunächst die Funktionsweise der dargestellten Schaltung klar. Welchen Sinn hat der nachgeschaltete Spannungsfolger?.2 Bauen Sie die Schaltung auf die vorbereitete Platine auf. Wählen Sie als Eingangssignal einen Rechteckimpuls mit einer Frequenz von etwa 00 Hz und einer Breite von 00 µs. Dimensionieren Sie den Widerstand R und die Kapazität C so, dass die Zeit zum Entladen des Kondensators (τ = R C) groß im Vergleich zur Impulsbreite des eingespeisten Impulses ist. Beobachten Sie gleichzeitig die Spannungen U und U 2 mit dem Oszillographen. Schauen Sie sich auch die Spannung am Ausgang des ersten Operationsverstärkers an (Tastkopf).

2 .3 Verändern Sie die Impulshöhe des Eingangsimpulses und die Zeitkonstante des RC- Gliedes. Hausaufgabe: Erläutern Sie ihre Beobachtungen. Sie können auch zum besseren Verständnis diese und die folgenden Schaltungen mit TINA-TI (Spice) simulieren. 2 Komparator als Schwellendiskriminator Operationsverstärker ohne Rückkopplung reagieren sehr empfindlich auf die Spannungsdifferenz am positiven Ausgang. Dies führt dazu, dass am Ausgang des OPs meistens entweder die positive oder die negative Betriebsspannung anliegt, je nach Polarität der Differenzspannung. Dieser Effekt kann als Schwellendiskriminator benutzt werden, um ein digitales Signal, nämlich einen Spannungssprung am Ausgang des OPs zu erzeugen. 2. Bauen Sie die links unten stehende Schaltung mit dem OP LF4 auf und geben Sie ein gaußförmiges Signal mit einer Breite von ca. ms an den nicht-invertierenden Eingang. Der Spannungsteiler am invertierenden Eingang legt die Schwellenspannung (ca. 700 mv) fest. 2.2 Triggern Sie den Oszillographen extern über den TTL-Ausgang des Impulsgenerators, um den genauen Umschaltzeitpunkt des OPs zu erfassen. Führen Sie mehrere Messungen mit unterschiedlicher Schwellenspannung durch, und dokumentieren Sie diese im Protokollheft. 2.3 Messen Sie die zeitliche Verschiebung des Umschaltpunktes ( Time-Walk ) und die Breite des Ausgangssignals, wenn Sie die Eingangsspannung ab der Schwellenspannung (700 mv) bis zur einer maximalen Spannung von 5 V variieren. U A [V] zeitl. Verschiebung [ s] t Ausgang [ s]

3 Hausaufgabe: Tragen Sie den Time-Walk des Diskriminators und die Zeitdauer des Ausgangssignals als Funktion der Eingangsspannung auf. Erklären Sie den jeweiligen Verlauf. Welchen Zweck könnte diese Schaltung haben? 2.4 Auf schnelles Umschalten spezialisierte OPs nennt man Komparatoren. Setzen Sie dazu den Typ TLV350 an Stelle des OPs ein (Abb. rechts, Pins sind kompatibel). Beachten Sie, dass Sie jetzt eine asymmetrische Versorgungsspannung benutzen müssen (+5V, 0V). Informieren Sie sich aus dem Datenblatt über die Eigenschaften des Komparators. Wiederholen Sie damit die Messungen von 2.2 und 2.3. MACHT DAS SINN? U A [V] zeitl. Verschiebung [ s] T Ausgang [ s] Hausaufgabe: Vergleichen Sie ihre Messwerte mit TLV350 und LF4. Erklären Sie die Unterschiede.

4 3 Aktiver Bandpassfilter Filterschaltungen höherer Ordnung lassen sich ohne die Verwendung von Induktivitäten mit Operationsverstärkern realisieren. Dargestellt ist hier die Schaltung eines Bandpassfilters zweiter Ordnung. Die Resonanzfrequenz ist f = 2π RC. Die Güte Q lässt sich durch die Wahl von R und R 2 einstellen.es gilt: und für die Bandbreite Q = R 2 R 2 R 2 R2 B = 2π RC Dimensionieren Sie die Schaltung für f = 59 Hz und Q = bzw. Q = 0.5. Bauen Sie die Schaltung auf, und messen Sie die Resonanzkurve im Bereich von 0. Hz bis 20 khz. Tragen Sie die Resonanzkurve im halblogarithmischen Maßstab auf. Hausaufgabe : Bestimmen Sie die Bandbreite und die Resonanzfrequenz für beide Güten. Vergleichen Sie das Ergebnis mit den Berechnungen.

5 4 Multivibrator Ein weiteres Schaltungsbeispiel ist der Multivibrator, der mit der Frequenz f = 2 R C ln(+ 2 R 2 ) R 3 schwingt. Wählen Sie z.b für die Widerstände R =R 2 =R 3 =0 k Ω und C = 00nF. Messen Sie die Ausgangsspannung U 2 mit dem Oszillographen, und vergleichen Sie die Schwingungsfrequenz mit der angegebenen Gleichung. Übertragen Sie das Oszillographenbild in ihr Protokollheft. Hausaufgabe: Überlegen Sie sich mögliche Anwendungen dieser Schaltung. 5 Sägezahn-Rechteck-Generator Bauen Sie die Schaltung des Sägezahn-Rechteckgenerators auf, und messen Sie mit dem Oszillographen die Spannungen U und U 2. Es gilt f =. R 2 4 R C Wählen Sie für die Widerstände R =R 2 =0kΩ und R 3 =47kΩ und vergleichen Sie die gemessene Frequenz mit den berechneten Werten bei C =0 μ F und C =μ F. Übertragen das Oszillographenbild in ihr Protokollheft. Hausaufgabe: Erklären Sie das Prinzip der Schaltung. R 3