Gruppe: 2/19 Versuch: 5 PRAKTIKUM MESSTECHNIK VERSUCH 5. Operationsverstärker. Versuchsdatum: Teilnehmer:

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1 Gruppe: 2/9 Versuch: 5 PAKTIKM MESSTECHNIK VESCH 5 Operationsverstärker Versuchsdatum: Teilnehmer:

2 . Versuchsvorbereitung Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Nichtinvertierender Schmitt-Trigger 2. Versuch Invertierender Verstärker 2.. Abgleich der Offsetspannung 2..2 Frequenzgang der Verstärkung a) v 00 b) v Tiefpass. Ordnung 2.2. Frequenzgang der Verstärkung Entfernung von 8 aus der ückkopplung 2.3 Slewrate und Großsignalbreite 2.3. Slewrate Gorßsignalbreite des Sinus khz Sinus 2.4 Nichtinvertierender Komparator und Schmitt-Trigger 2.4. Hysteresekurve Ein und Ausgangssignal, Hysteresekurve Ausgangsspannung Hysterese 2.5 /f msetzer 2.6 Präzisionsgleichrichter 2

3 .Versuchsvorbereitung. Invertierender Verstärker.2 Nichtinvertierender Verstärker.3 Nichtinvertierender Schmitt-Trigger 3

4 2. Versuch 2. Invertierender Verstärker k, 2 00k, 3 k, L 2k 2.. Abgleich der Offsetspannung Der Versuch wurde auf dem Arbeitsplatz entsprechen der Skizze aufgebaut, und das Poti P2 auf Mittelstellung gedreht. Mit dem Oszilloskop ergab sich ein Wert von 73,8 mv für die Ausgangsspannung. Damit lässt sich die Offsetspannung wie folgt berechnen. A 90mV E0 A E0 I3 3 7 A OS 0,73mV ± 43μV OSFrel AFrel + Frel + 3Frel + 3 3% + 3% 7 Frel Jetzt wird das Poti P2 in eine Stellung gedreht, in der der Ausgangsstrom gleich Null, und somit die Offsetspannung gleich Null is. Der best einzustellende Wert für die Ausgangsspannung war 500uV das entspricht einer Offsetspannung von 4,9uV. Der OPV ist nun abgeglichen und die Poti-Stellung P2 wird im ganzen Versuch nicht mehr geändert. 6% 4

5 2..2 Frequenzgang der Verstärkung a) Versuchsaufbau mit einer Verstärkung von 00, die sich durch das Verhältnis der Widerstände 7 und 3 berechnet. 6 k, 7 00k, 3 k, L 2k v 00kΩ kω Mit dem Funktionsgenerator wird ein Sinuseingangssignal mit einer Amplitude von 00mV erzeugt, und mit dem Oszi die Ausgangsspannung für verschiedene Frequenzen des Eingangssignals ermittelt. Für die logarithmische Darstellung der Spannungsverstärkung gilt folgende Formel: A 20log v 20log E f khz 0,00 0,00 0,00,000 5,000 6,000 7,000 e in mv 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 a in mv 7650, , , , , , ,000 V 76,500 98,000 98,000 00,000 93,000 9,000 89, log db 37,673 39,825 39,825 40,000 39,370 39,8 38,988 0,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 80,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00, , , , , , , , ,000 80,000 52,000 37,000 28,600 23,200 9,400 6,700 4,800 38,062 34,320 3,364 29,27 27,30 25,756 24,454 23,405 00, , , , , ,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 80, , ,000 67,000 20,000 99,000,800 4,000 2,420,670,200 0,990 2,438 2,04 7,676 4,454,584-0,087 5

6 V in 20 log db 00,000 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 0,000 0,000 0,00 0,00 0,00,000-0,000 0,000 00, , ,000 f in khz V00 85 db 88 db Nun tragen wir in unserem Diagramm den Frequenzgang der Gleichspannungsverstärkung μ0 des OPV mit der Grenzfrequenz 60Hz ein. Aus dem Diagramm lesen wir μ 0 in db ab. Wir können nun μ 0 wie folgt berechnen: x db 20log μ 0 88 μ 0 0 x db Aus Diagramm können wir die Transitfrequenz ablesen. Sie ist der Schnittpunkt der Frequenzgänge mit der 0dB Horizontalen:,2MHz ± 36kHz Nun lesen wir aus unserem Diagramm für v 0 00 die Schleifentransitfrequenz ab: khz ± 330Hz Fehlerangabe für eine Ablesegenauigkeit von 3% vom Oszilloskop. 6

7 b) Versuchsaufbau mit einer Verstärkung von 5, die sich durch das Verhältnis der Widerstände 7 und 3 berechnet. 6 k, 7 00k, 3 20k, L 2k v 00kΩ 20kΩ Mit dem Funktionsgenerator wird ein Sinuseingangssignal mit einer Amplitude von 00mV erzeugt, und mit dem Oszi die Ausgangsspannung für verschiedene Frequenzen des Eingangssignals ermittelt. f khz 0,0 0,0,00 0,00 50,00 00,00 200,00 e in mv 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 a in mv 525,00 520,00 525,00 55,00 500,00 460,00 365,00 V 5,25 5,20 5,25 5,5 5,00 4,60 3,65 20 log db 4,40 4,32 4,40 4,24 3,98 3,26,25 250,00 300,00 350,00 400,00 450,00 500,00 550,00 600,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 35,00 270,00 235,00 200,00 70,00 50,00 30,00 0,00 3,5 2,70 2,35 2,00,70,50,30,0 9,97 8,63 7,42 6,02 4,6 3,52 2,28 0,83 650,00 00,00 00,00,00 0,00 7

8 6,00 4,00 2,00 V in 20 log db 0,00 8,00 6,00 V5 4,00 2,00 0,00 0,0 0,0,00 0,00 00,00 000,00 f in khz Es wurden für den Versuchsaufbau mit einer Verstärkung von 00 ein Wert von etwa 200 Mhz und für den Versuchsaufbau mit der Verstärkung 5 ein Wert von 600 Mhz für die Transitfrequenz aus den Diagramme abgelesen. Da aber die Transitfrequenz nur durch den internen Aufbau des Operationsverstärkers bestimmt wird, sie hängt direkt vom Bahnwiderstand und der Sperrschichtkapazität ab, muss sich in die Messung ein Fehler eingeschlichen haben. Temperatureinflüsse die den Bahnwiderstand beeinflussen kann man ausschließen. Da der OPV in Versuch 2.2 auch wieder funktionsfähig war, kann man auch ausschließen das er zu heiß wurde, oder sonstige Schäden im Inneren aufwies. Deshalb muss es sich um einen Schlechten Kontakt an der Messspitze, bzw. einem falschen Lastwiderstand gehandelt haben, über den die Ausgangsspannung falsch bestimmt wurde, und somit eine falsche Transitfrequenz. 2.2 Tiefpass. Ordnung Parallel zu 7 wird ein Kondensator C mit unbekannter Kapazität geschaltet. Für die Übertragungsfunktion des Tiefpass ergibt sich: 8 H ( jw) + jw C 2.2. Frequenzgang der Verstärkung 8 Mit der Frequenzgenerator wird ein Sinus mit der Amplitude 00mV, für verschiedene Frequenzen auf den Tiefpass gegeben, und mit dem Oszi die Ausgangsspannung gemessen. 8

9 A ( jω) adb 20log E ( jω) f khz 0,0 0,02 0,05 0,0 0,30,00 3,00 e in mv 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 a in mv 00,00 0,00 05,00 05,00 05,00 05,00 05,00 V,00,0,05,05,05,05,05-20 log db 0,00-0,83-0,42-0,42-0,42-0,42-0,42 7,00 0,00 5,00 20,00 25,00 30,00 40,00 50,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 90,00 77,00 70,00 55,00 50,00 37,00 30,50,00 0,90 0,77 0,70 0,55 0,50 0,37 0,3 0,00 0,92 2,27 3,0 5,9 6,02 8,64 0,3 60,00 70,00 80,00 90,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 00,00 26,00 22,50 2,00 20,00 8,50 0,26 0,23 0,2 0,20 0,9,70 2,96 3,56 3,98 4,66 6,00 4,00 2,00 0,00 V in - 20 log db 8,00 6,00 4,00 Dämpfung 2,00 0,00 0,0 0,0,00 0,00 00,00-2,00 f in khz Aus dem Diagramm kann man die 3 db Grenzfrequenz ablesen: 7 khz 9

10 Berechnung der Kapazität mit Hilfe der Übertragungsfunktion: A E 8 + jwc 8 w C C 8 2πf g 8,06nF Entfernung von 8 aus der ückkopplung Nun wird der Widerstand 8 aus der ückkopplung entfernt, und mit dem Funktionsgenerator ein echtecksignal der Frequenz,25 khz und einer Amplitude von 200 mv eingespeist. Es wird also das Eingangssignal, die echteckspannung mit 200 mv, in eine Dreieckspannung mit 3,7V umgewandelt. Daraus ist zu erkennen, dass es sich bei dieser Schaltung um einen Integrator handeln muss. 0

11 Mathematische Berechnung des Integrators: A E s C Das stellt im Zeitbereich eine Integration dar. Das s C Nun lässt sich die Amplitude berechnen: ist ein konstanter Faktor. 0kΩ C T 0,8ms uˆ uˆ E A nf 200mV C T 4 0 uˆ dt 4V E 2.3 Slewrate und Großsignalbreite 2.3. Slewrate Es wird ein Spannungsfolger aufgebaut und auf den Eingang eine echteckspannung mit 5V Amplitude und,25khz angelegt. Die Ausgangsamplitude wird am Oszi gemessen, und festgestellt wie lange das Signal braucht um bis zur Amplitude anzusteigen. u Peak Peak V ± 33mV t 6μs ± 80ns u S Peak Peak t V V,83 ± 0,05 μs μs Großsignalbandbreite S f 22,4kHz ± Hz p 672 π 2 A max Großsignalbreite des Sinus Wir wählen nun als Eingangssignal einen Sinus mit 0V Amplitude und verändern seine Frequenz im Bereich von khz bis 20kHz so lange, bis wir am Ausgang eine Verzerrung des Sinus feststellen. Diese ist bei einer Frequenz von etwa 20kHz am Oszilloskop zu erkennen.

12 khz Sinus S A r 7,0V 2mV max 2 50kHz ± π Dieser Wert wurde auch visuell am Oszilloskop bestätigt. 2.4 Nichtinvertierender Komparator und Schmitt-Trigger 2.4. Hysteresekurve Der Nichtinvertierende Komparator wird aufgebaut und am Funktionsgenerator wird eine Amplitude von 4V ein bei einer Frequenz von khz eingestellt. Nun messen wir mit dem Oszilloskop im XY-Betrieb die Ein- und Ausgangspannung für verschiedene Vergleichsspannungen und erhalten diese Hysteresekurven. XY bei 6,67V XY bei 0V XY bei -6,67V 2

13 2.4.2 Ein und Ausgangssignal, Hysteresekurve Wir legen nun als Eingangsspannung einen Sinus mit 4V Amplitude und khz an und schalten zusätzlich eine Gleichspannung von 2V hinzu. Als Vergleichsspannung wählen wir 2V. Der Verlauf der Ein- und Ausgangsspannung sind in Diagramm 5 zu sehen. Nun schalten wir das Oszilloskop in den XY-Betrieb und skizzieren die Kennlinie. 3

14 2.4.3 Ausgangsspannung Wir bauen nun den nichtinvertierenden Schmitt-Trigger auf. Als Eingangsspannung verwenden wir die gleiche wie in Wir zeichnen den Verlauf der Ausgangsspannung auf: 4

15 2.4.4 Hysterese Wir berechnen den Ein- und Ausschaltpegel und die Schalthysterese unseres Schmitt-Triggers: A max A min 3V Eein Eaus A min A max,3v,3v Daraus ergibt sich für die Schalthysterese des Schmitt-Triggers: Δ ( ) 2, V 3 E A max A min 6 8 Am Oszilloskop messen wir eine Schalthysterese von 3,6. Dieser nterschied ergibt sich durch die Widerstandstoleranzen (5%) und dadurch, dass die maximale Ausgangspannung am OPV nicht 3V, sondern 4V beträgt: 050Ω Δ E 9500Ω ( 4V ( 4V )) 3, V 2.5 /f msetzer Die Schaltung wird wie in der Angabe beschrieben aufgebaut, und die Ausgabefrequenz in Abhängigkeit der Eingangsspannung mit dem Oszilloskop gemessen. e 0,5,5 2 2,5 3 3,5 fa 47, ,5 5 5,5 6 6,5 7 7, ,5 9 9,

16 fa in Hz e in V Gut zu erkennen trotz des relativen Ablesefehlers von 3% ist, dass die Eingangsspannung direkt proportional zur Ausgangsspannung ist. Für die Eingangsspannung gleich 8,5 0 V ergeben sich aber Abweichungen, die durch einen schlechten Kontakt erklärt werden. Funktionsweise: Der erste OPV arbeitet als invertierender Spannungsverstärker, mit der Verstärkung, d.h. der erste OPV invertiert das Eingangssignal. Bei positivem Eingangssignal erhalten wir also nach dem Invertierer ein negatives Ausgangssignal. Der zweite OPV arbeitet als Integrator und invertiert und integriert die Ausgangsspannung des Invertierers, d.h. wir erhalten eine konstant ansteigende ampe als Ausgangssignal des Integrators. Der dritte OPV arbeitet als Schmitt-Trigger. Wenn die Spannung am Eingang des Schmitt-Triggers hoch genug gestiegen ist, schaltet der Schmitt-Trigger aus und gibt eine negative Ausgangsspannung. Dadurch schaltet der FET durch und der Invertierer wird außer Kraft gesetzt, die Eingangsspannung liegt positiv am Integrator an. Die Ausgangsspannung sinkt am Integrator ab, bis der Schmitt-Trigger wieder einschaltet. 6

17 2.6 Präzisionsgleichrichter Die Schaltung wird wie in der Angabe aufgebaut, und mit dem Oszilloskop die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung gemessen. e ,5 2,5 a 2,4 0,3 8,4 6,4 5, ,5 0,3 0,2 0, 0,05 2 0,62 0,39 0,2 0,0968 7

18 nsere kleinste Spannung die wir gleichrichten konnten waren 40mV, da der Funktionsgenerator keine niedrigere Amplitude erzeugen konnte. Diese 40mV liegen weit unter unserer Diodenspannung von 0,7V, d.h. also dass in dieser Schaltung der Spannungsabfall an den Dioden durch den OPV korrigiert wird. Im Gegensatz dazu steht unser normaler passiver Einweggleichrichter, bei dem generell 0,7V an der Diode anliegen und es damit unmöglich ist kleinere Spannungen gleichzurichten. Anwendung findet eine solche Schaltung überall dort, wo sehr kleine Spannungen benötigt werden, z.b. in der Mikroelektronik. Zusammenfassung Der. Versuch zeigte uns, das Frequenzverhalten des invertierenden Verstärkers und wie man die Offsetspannung kompensieren kann. Im 2. Versuch wurde ein Tiefpass. Ordnung mit OPV aufgebaut und die Eigenschaften ermittelt, und berechnet. Weiterhin durch die Entfernung des ückkopplungswiderstands erhielten wir einen Integrator. Im 3. Versuch wurden die Eigenschaften des OPV s ermittelt. Es wurden die Slewrate und die Großsignalbandbreite aus den Messungen bestimmt. Einen nichtinvertierenden Komparator und Schmitt-Trigger konnten wir im 4. Versuch untersuchen. Aus den Messungen wurden die Einschalt und Ausschaltpegel berechnet. Im Versuch 5 wurde ein /f msetzer aufgebaut, bei dem aus Gleichspannung die Wechselspannung erzeugt wurde, dabei stieg die Frequenz der Ausgangsspannung ~ zur angelegten Eingangsspannung. Der 6. Versuch zeigte wie ein Präzisionsgleichrichter funktioniert, und auch dass Spannungen auch unter 0,7V mit diesem gleichgerichtet werden können. Die Versuche 7 und 8 basierten auf freiwilliger Basis und wurden wegen Zeitmangels nicht durchgeführt. 8

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