Versuch Operationsverstärker

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1 Seie 1 1 Vorbereiung 1.1 Allgemeines zu Operaionsversärkern Ein Operaionsversärker is ein Versärker mi sehr großer Versärkung. Er wird in der Regel gegengekoppel berieben, so dass auf Grund seiner großen Eigenversärkung die Versärkung des gegengekoppelen Sysems prakisch nur vom Rückkopplungsnezwerk abhäng. Den Eingang eines Operaionsversärkers bilde ein Differenzversärker mi zwei Eingängen. Ein Eingang heiß Inverierender Eingang(), der andere Nichinverierender Eingang(). Die Differenzspannung d der beiden Eingänge wird mi der Versärkung V d versärk. So beräg die Ausgangsspannung: = V d d = V d ( p n ) d p n Abbildung 1: Schalbild eines Operaionsversärkers d = p n Die Versärkung V d lieg im Bereich Die Ausgangsspannung kann in einem großen Bereich alle Were zwischen der posiiven und negaiven Versorgungsspannung annehmen. Dami posiive und negaive Ausgangsspannungen möglich sind, benöig der Operaionsversärker eine posiive und negaive Versorgungsspannung (üblich ±15V ) Ausgangsseuerbereich Den Werebereich, den die Ausgangsspannung annehmen kann, nenn man Ausgangsseuerbereich. Die Ausseuergrenzen liegen beragsmäßig ca V innerhalb der Versorgungsspannungen Offsespannung Die Offsespannung 0 is die Eingangsdifferenzspannung d, bei der die Ausgangsspannung 0V beräg. Die Überragungskennlinie = f( d ) läuf beim idealen Operaionsversärker durch den Nullpunk. Beim realen Operaionsversärker lieg der Schnipunk in 0 (Abbildung 2).

2 Seie 2 ideal 0 real d Ausseuerbereich Abbildung 2: Überragungskennlinie des Operaionsversärkers Slew Rae (SL) Als Slew Rae bezeichne man die maximale Ansiegseilhei der Ausgangsspannung. Da Operaionsversärker reale Baueile sind, können sie Flanken wie sie z.b bei der Komparaorschalung (1.2,1.3) aufreen, nich ideal schalen. Hierfür benöigen sie abhängig von der Eingangsspannung eine besimme Zei. Die Slew Rae wird in V/µs angegeben. SL = Abbildung 3: Slew Rae beim realen Operaionsversärkers 1.2 Komparaoren Komparaoren ohne Rückführung sind Operaionsversärker, die nich rückgekoppel berieben werden. Sie dienen zum Spannungsvergleich. Die Ausgangsspannung nimm daher nur zwei Were an, high oder low, je nachdem welches Vorzeichen die Eingangsspannung d ha. Der Wer der Ausgangsspannung lieg an den Ausseuerungsgrenzen des Operaionsversärkers Inverierender Komparaor Beim Inverierenden Komparaor lieg die Eingangsspannung am Inverierenden Eingang an. Der nichinverierende Eingang wird auf Masse geleg. Lieg nun am Eingang ein Pegel > 0 an, so gib der Ausgang einen L-Pegel aus (inverier), und umgekehr die Differenzspannung d. Beim Inverierenden Komparaor wird das Eingangssignal auf posiives oder negaives Vorzeichen überprüf. Ha das Eingangssignal d ein posiives Vorzeichen, so gib der Komparaor als Ausgangsspannung die posiive Beriebsspannung aus, und umgekehr.

3 Seie 3 n Abbildung 4: Inverierender Komparaor d Abbildung 5: Spannungsverlauf des Inverierenden Komparaors Nichinverierender Komparaor Beim Nichinverierenden Komparaor lieg die Eingangsspannung am Nichinverierenden Eingang an. Der Inverierende Eingang is auf Masse geleg. Lieg nun am Eingang ein Pegel > 0 an, so gib der Ausgang einen H-Pegel aus (nich inverier), und umgekehr. p Abbildung 6: Nichinverierender Komparaor

4 Seie 4 d Abbildung 7: Spannungsverlauf des Nichinverierenden Komparaors Offsespannung beim Komparaor Wird an einen Komparaor zusäzlich eine Offsespannung ( 0V ) angeleg, so änder sich die Differenzspannung an den Eingängen des Operaionsversärkers. Dies bedeue, dass sich die ursprüngliche Eingangsspannung um 0V herum verschieb. Da der Komparaor je nach Eingangsspannung high oder low ausgib, verschieb sich somi die Pulsdauer der Ausgangsspannung abhängig von der Offsespannung. Sowohl der Inverierende als auch der Nichinverierende Komparaor können mi einer Offsespannung berieben werden. p n Abbildung 8: Nichinverierender Komparaor mi Offsespannung d Abbildung 9: Spannungsverlauf mi Offsespannung

5 Seie Komparaoren mi Rückführung Operaionsversärker mi Rückführung sind bisabile Schalungen, wenn die Rückkopplung is eine Mikopplung darsell. Dadurch kann die Ausgangsspannung nur zwischen den Ausseuergrenzen ±max springen. Durch die Rückkopplung ensehen für die Eingangsspannung d zwei Schwellen, die ein mschalen der Ausgangsspannung bewirken. Nach dem Durchlaufen einer Schwelle muss ers die andere Schwelle durchlaufen werden, um ein erneues mschalen zu erreichen Inverierender Komparaor mi Rückführung Die Schalschwellen des Inverierenden Komparaors mi Rückführung liegen bei: ein = R 1 R 1 max und aus = R 1 R 1 max R 1 Abbildung 10: Inverierender Komparaor mi Rückführung ein aus Abbildung 11: Spannungsverlauf des Inverierenden Komparaors mi Rückführung

6 Seie Nichinverierender Komparaor mi Rückführung Die Schalschwellen des Nichinverierenden Komparaors mi Rückführung liegen bei: ein = R 1 max und aus = R 1 max R 1 Abbildung 12: Nichinverierender Komparaor mi Rückführung ein aus Abbildung 13: Spannnungsverlauf des Nichinverierenden Komparaors mi Rückführung 1.4 Versärkerschalungen Inverierender Versärker Der inverierende Versärker is ein Operaionsversärker, der in Spannungs-Srom-Gegenkopplung mi k = 1 berieben wird. Der Eingangssrom der gegengekoppelen Schalung wird durch R 1 eingepräg. Die Überragungsfunkion laue: = = V R 1

7 Seie 7 R 1 Abbildung 14: Inverierender Versärker Abbildung 15: Spannungsverlauf des Inverierenden Versärkers Abbildung 16: Überragungskennlinie des Inverierenden Versärkers Nichinverierender Versärker Der Nichinverierender Versärker is ein Operaionsversärker, der in Spannungs-Spannungs-Gegenkopplung mi k = R 1

8 Seie 8 berieben wird. Die Überragungsfunkion laue: = 1 R 1 = V R 1 Abbildung 17: Nichinverierender Versärker Abbildung 18: Spannungsverlauf des Nichinverierenden Versärkers d Abbildung 19: Überragungskennlinie des Nichinverierenden Versärkers

9 Seie 9 2 Messungen 2.1 Allgemeines zu den Messungen Die mi dem Oszilloskop gemessenen Were sind auf einem Wechselmedium (SB-Sick) zu speichern, dami diese in der Ausarbeiung zur Veranschaulichung der Messergebnisse benuz werden können. Sämliche Were, die dem Versuch ennommen werden können, sind für die späere Ausarbeiung zu dokumenieren. 2.2 Messungen am Komparaor Inverierender Komparaor Bauen Sie die Schalung des Inverierenden Komparaors wie in beschrieben auf. Ennehmen Sie die nöigen Angaben aus dem Daenbla des Operaionsversärkers. Die Were sind wie folg zu wählen: Beriebsspannung b = ±15V Eingangsspannung Ûe = 5V Sinus Frequenz f = 1kHz 1. Nehmen Sie den Verlauf von und auf dem Oszilloskop auf. 2. Wie groß is der Absand zwischen den Beriebsspannungen ± b und den Ausseuerungsgrenzen? (±!) 3. Nehmen Sie den Verlauf der Überragungskennlinie für 100Hz, 1kHz und 10kHz auf. Was läss sich erkennen? 4. Besimmen Sie die Slew Rae (1.1.3) bei 100Hz, 1kHz und 10kHz. Passen Sie hierzu den jeweiligen Messbereich auf die nöige Größe an, dami Sie genaue Ergebnisse erhalen. Welches Ergebnisse liefer die Messung? 5. Welche Laufzeien ergeben sich bei den jeweiligen Frequenzen? 6. Was is bei Frequenzen f 150kHz zu beobachen? 7. Das Eingangssignal vom Funkionsgeneraor soll am Nichinverierenden Eingang anliegen. Sellen Sie hierzu am Funkionsgeneraor die Frequenz f = 1kHz und die Eingangsspannung Ûe = 5V Dreieck ein. Am Inverierenden Eingang is die Spannung n anzulegen, welche vom Nezeil (Klemme 3) abgegriffen wird. Variieren Sie n von 0...3V. (a) Wie veränder sich die Ausgangsspannung, wenn die Differenzspannung d über n eingesell wird? (b) Bei welcher minimalen Differenzspannung d arbeie der Operaionsversärker noch sabil? ( d = p n ) Nichinverierender Komparaor Bauen Sie die Schalung des Nichinverierenden Komparaors wie in beschrieben auf. Die Were und Aufgabensellungen sind aus zu ennehmen.

10 Seie Messungen am Komparaor mi Rückführung Inverierender Komparaor mi Rückführung Bauen Sie die Schalung des Inverierenden Komparaors mi Rückführung wie in beschrieben auf. Die Were sind wie folg zu wählen: Beriebsspannung b = ±15V Frequenz f = 1kHz R 1 = = 1kΩ 1. Ermieln Sie die Eingangsspannung, die benöig wird, dami der Operaionsversärker schale 2. Ermieln Sie die obere und unere Schalschwelle des Nichinverierenden Komparaors 3. Nehmen Sie die Kennlinie der Schalung auf. 4. Erhöhen Sie die Frequenz auf 10kHz und 100kHz. Was läss sich erkennen? 5. Welcher Effek ri ein, wenn Sie durch 2kΩ ersezen? Nichinverierender Komparaor mi Rückführung Bauen Sie die Schalung des Nichinverierenden Komparaors mi Rückführung wie in beschrieben auf. Die Were sind wie folg zu wählen: Beriebsspannung b = ±15V Frequenz f = 1kHz R 1 = 1kΩ = 2kΩ 1. Ermieln Sie die Eingangsspannung, die benöig wird, dami der Operaionsversärker schale 2. Ermieln Sie die obere und unere Schalschwelle des Nichinverierenden Komparaors 3. Nehmen Sie die Kennlinie der Schalung auf. 4. Erhöhen Sie die Frequenz auf 10kHz und 100kHz. Was läss sich erkennen? 5. Welcher Effek ri ein, wenn Sie durch 10kΩ ersezen?

11 Seie Messungen am Versärker Inverierender Versärker Bauen Sie die Schalung des Inverierenden Versärkers wie in beschrieben auf. Die Were sind wie folg zu wählen: Beriebsspannung b = ±15V Eingangsspannung Ûe = 1V Sinus Frequenz f = 1kHz R 1 = 1kΩ = 2kΩ 1. Nehmen Sie den Verlauf von und auf dem Oszilloskop auf. 2. Ermieln Sie die maximale Eingangsspannung, bei der der Versärker nich in die Ausseuerungsgrenzen läuf. 3. Besimmen Sie die Versärkung der Operaionsversärkerschalung 4. Nehmen Sie die Überragungskennlinie des Operaiosversärkers für diese Schalung auf 5. Ersezen Sie durch 10kΩ. Welche Veränderungen machen sich bemerkbar? Nichinverierender Versärker Bauen Sie die Schalung des Nichinverierenden Versärkers wie in beschrieben auf. Die Were sind wie folg zu wählen: Beriebsspannung b = ±15V Eingangsspannung Ûe = 1V Sinus Frequenz f = 1kHz R 1 = 1kΩ = 1kΩ 1. Nehmen Sie den Verlauf von und auf dem Oszilloskop auf. 2. Ermieln Sie die maximale Eingangsspannung, bei der der Versärker nich in die Ausseuerungsgrenzen läuf. 3. Besimmen Sie die Versärkung der Operaionsversärkerschalung 4. Nehmen Sie die Überragungskennlinie des Operaionsversärkers für diese Schalung auf 5. Ersezen Sie R 1 durch 2kΩ und 10kΩ. Welche Veränderungen machen sich bemerkbar?