Operationsverstärker

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1 Operationsverstärker Martin Adam Versuchsdatum: Betreuer: DI Bojarski 23. November 2005 Inhaltsverzeichnis 1 Versuchsbeschreibung Ziel Aufgaben Durchführung Eigenschaften von Operationsverstärkern Offsetspannung Eingangsruhestrom Leerlaufverstärkung und Phasenverschiebung Untersuchung von Grundschaltungen Invertierender Verstärker Nichtinvertierender Verstärker Strom- und Spannungswandler

2 1 Versuchsbeschreibung 1.1 Ziel Die wichtigsten OV-Kenndaten sind mit indirekten Messmethoden zu bestimmen. Die Eigenschaften der OV-Grundschaltungen sind zu untersuchen und die Auswirkung der Abweichung der realen von den idealen Kenndaten ist zu analysieren. 1.2 Aufgaben 1. Messung der wichtigsten Eigenschaften von Operationsverstärkern (a) Offsetspannung (Abb. 1) (b) Eingangsruhestrom (Abb. 2) (c) Leerlaufverstärkung und Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz (Abb. 3) (d) Gleichtaktunterdrückung (Abb. 4) (fakultativ) 2. Untersuchung von Grundschaltungen (a) Invertierender Verstärker (Abb. 5) Die Spannungsverstärkung eines invertierenden Verstärkers mit R e = 10kΩ und R g = 100kΩ ist für 3 verschiedene Frequenzen nach Betrag und Phase zu ermitteln. Als Eingangsspannung ist eine Sinusspannung mit U eff = 0, 1V zu verwenden. Oberhalb der oberen Grenzfrequenz sind die Oszillogramme von U e und U a auszudrücken und zu diskutieren. (b) Nichtinvertierender Verstärker (Abb. 6) Bauen Sie einen nichtinvertierenden Verstärker mit der Verstärkung ν u = 3 auf. Schalten Sie an den Eingang eine Rechteckspannung und bestimmen Sie die Verstärkung und die slew-rate. (c) Strom-Spannungswandler (Abb. 7) Schalten Sie an eine Fotodiode einen Strom-Spannungswandler und messen Sie die Ausgangsspannung bei unterschiedlichen Beleuchtungen. Erweitern Sie die Schaltungen zu einem Schwellwertschalter, indem Sie einen Komparator (Schmitt-Trigger) an den Ausgang des OV 1 schalten. Wählen Sie U ref innerhalb des Variationsbereiches von U a1 und ändern Sie wieder die Beleuchtung. 2

3 2 Durchführung 2.1 Eigenschaften von Operationsverstärkern Offsetspannung Um die Offsetspannung zu bestimmen, wurde folgende Schaltung mit dem Operationsverstärker A109 aufgebaut: Abbildung 1: Für die Eingangsspannung am Operationsverstärker gilt nach dem Maschensatz folgende Gleichung: R 1 U D = U IO + R 1 + R K Mit dem Verstärkungsverhältnis V = Ua U d U IO = U a R 1 R 1 + R K ergibt sich: ( V R 1 + R K R 1 mit der Annahme, dass V 10 4 ist, kann der zweite Term in der Klammer vernachlässigt werden Messwerte: Betriebsspannung U B = ±12V R 1 = 100kΩ, R K = 10kΩ U IO = U a R 1 R 1 + R K. ) U a = 6mV U IO = 6mV 100kΩ = 5, 45mV 100kΩ + 10kΩ 3

4 2.1.2 Eingangsruhestrom Um den Eingangsruhestrom zu bestimmen wurde die Schaltung Abbildung 2 aufgebaut. Es wurden die Eingangsruheströme vom A109 und von einem 4- fach OV gemessen. Ist der Schalter geschlossen, ist der Kondensator überbrückt Abbildung 2: und kann sich nicht aufladen. Öffnet man nun den Schalter, läd er sich über den Operationsverstärker. Man misst die Ausgangsspannung, da Eingangs- und Ausgangsspannung auf dem gleichen Potenzial liegen. Messwerte: 4-fach OV C = Q U I e,0 = Q t = C U t A109 C = 1nF t = 10s U = 42, 85mV Eingangsruhestrom: I e,0 = 1nF 42, 85mV 10s = 4, 285pA C = 1µF t = 6s U = 1, 43V Eingangsruhestrom: I e,0 = 1µF 1, 43V 6s = 0, 238µA 4

5 2.1.3 Leerlaufverstärkung und Phasenverschiebung Die Schaltung dazu wurde laut Abbildung 3 aufgebaut und es wurde die Spannung U 1 über den Widerständen R 2 und R 3 gemessen sowie die Phasenverschiebung und U a mittels Oszilloskop. Abbildung 3: Die Frequenz f wurde variiert und es ergaben sich folgende Messwerte: f in khz U 1 in mv U a in V V ϕ in 0,296 28,75 2, ,87 90,53 0,506 26,25 2, ,00 90,90 0,703 60,63 2, ,60 90,63 1,061 81,88 2, ,93 90,00 1,330 93,13 2, ,01 90,00 1, ,2 1, ,42 91,00 2, ,9 1, ,87 89,00 5, ,3 0, ,31 92,70 8, ,4 0, ,45 91,00 12, ,9 0, ,92 93,00 21, ,4 0, ,51 90,65 85, ,6 0,065 46,69 90,77 Tabelle 1: Messwerte Die Messung der Phasenverschiebung unterlag einer großen Schwankung am Oszillographen, deshalb die Fluktuationen in den Messergebnissen. Trägt man nun die Verstärkung und die Frequenz logarithmisch auf, ergibt sich folgende Grafik: 5

6 Abbildung 4: Wie zu erwarten ist ein linearer Abfall der Verstärkung mit der Frequenz zu erkennen. 2.2 Untersuchung von Grundschaltungen Invertierender Verstärker Die Schaltung wurde nach Abbildung 5 aufgebaut. Beim invertierenden Verstärker wird die Ausgangsspannung so zurückgekoppelt, dass sie der Eingangsspannung entgegenwirkt (Gegenkopplung). Für einen idealen invertierenden Operationsverstärker gilt, dass I e = 0 ist. Daraus folgt für die Ströme am Knoten zwischen R e und R g : I E = I g U e R e = U a R g U e U a = R e R a 6

7 Abbildung 5: Es wurden Eingangsspannung, Ausgangsspannung und die Phasenverschiebung mit dem Oszilloskop gemessen. Die Frequenz wurde jeweils einmal unterhalb, oberhalb sowie auf die Grenzfrequenz eingestellt. Die Eingangsspannung war sinusförmig mit U rms 0, 1V. f in Hz U e in mv U a in V V ϕ in 9, ,2 3,125 29,15 183, , ,2 2,406 22,44 134, , ,2 1,719 15,89 100,00 Tabelle 2: Messwerte Es ist zu erkennen, dass die Ausgangsspannung U a bei der Grenzfrequenz erwartungsgemäß auf 2 abgefallen ist. Oberhalb der Grenzfrequenz sinkt die 1 Verstärkung weiter und man hätte durch eine Messung mit einer höheren Frequenz den Verstärkungsabfall noch deutlicher machen können. In den folgenden Grafiken ist der Kanal 1 der Eingang und Kanal 2 der Ausgang: Abbildung 6: unterhalb Grenzfrequenz, Grenzfrequenz, oberhalb Grenzfrequenz 7

8 2.2.2 Nichtinvertierender Verstärker Im Gegensatz zum invertierenden Verstärker wird die Ausgangsspannung so gekoppelt, dass sie der Eingangspannung nicht entgegenwirkt (Mitkopplung). Für den idealen gilt U D = 0. U E = U e R T U E = U a R T + R g ) U a = U e ( RT + R g R T = U e ( Rg R T + 1 ) Abbildung 7: Es sollte eine Verstärkung von V = 3 eingestellt werden, somit ergeben sich die Widerstände zu R g = 20kΩ und R T = 10kΩ. Als Eingangsspannung wurde eine Rechteckspannung verwendet. Messwerte: U e = 468, 8mV U a = 1, 344V Dies ergibt eine Verstärkung V = 2, 9. Die slew-rate wurde grafisch auf dem Ausdruck vom Oszilloskop bestimmt, dabei ist wieder Kanal 1 der Eingang und Kanal2 der Ausgang: U = 687, 5mV t = 2ns sr = V t = 0, 344 V ns 8

9 2.2.3 Strom- und Spannungswandler Aus Zeitgründen wurde nur der erste Teil der Aufgabenstellung bearbeitet. Es wurde die folgende Schaltung realisiert. Als Spannungsquelle diente eine Fotodiode. Abbildung 8: Dazu wurden einmal die Ausgangsspannung mit starker Beleuchtung und einmal ohne Beleuchtung oszillografiert. Abbildung 9: 9

10 Abbildung 10: 10