Operationsverstärker

Fakultät Elektrotechnik Seite 1 von 11 Operationsverstärker Ziel: - Kennenlernen der elektronischen Eigenschaften des OV (statisch und dynamisch) - Anwenden des OV in charakteristischen Schaltungen Literatur: - Koß, Reinhold Lehr- u. Übungsbuch Fachbuchverlag Elektronik - Tietze, Schenk Halbleiterschaltungstechnik Springer Verlag - Brauer, Lehmann Elektronik Aufgaben Fachbuchverlag Leipzig - Lindner, Brauer, Lehmann Nachschlagwerk Fachbuchverlag Leipzig E-Technik, Elektronik - Dostal Operationsverstärker Verlag Technik Berlin - Hering, Bressler, Gutekunst Elektronik für Ingenieure VDI Verlag - Homepage Prof. Reinhold http://www.fbeit.htwk-leipzig.de/~reinhold/html/lehre/elektronik.php#hilfen bzw. LV Elektronik auf der neuen Homepage Prof. Reinhold 1 Gliederung Operationsverstärker...1 1 Gliederung...1 2 Vorbereitung...2 3 Versuchsaufgaben...3 3.1 Statische Eigenschaften des OPV...3 3.1.1 Hausaufgabe...3 3.1.2 Statische Übertragungskennlinie eines nicht invertierenden Verstärkers....3 3.1.3 Bestimmung des Offsetstromes...3 3.2 Dynamische Eigenschaften des OPV...4 3.3 Frequenzgang des OPV...4 3.3.1 Hausaufgabe...4 3.3.2 Amplitudenfrequenzgang...4 3.3.3 Slew-Rate...4 3.4 Anwendung des Operationsverstärkers...6 3.4.1 Hausaufgabe...6 3.4.2 OPV als Addierer...6 3.4.3 OPV als Komparator...6 3.4.4 OPV als Schmidttrigger...6 Anhang 1: Oszi im xy-betrieb...7 Anhang 2: Eigenschaften des Operationsverstärkers µa 741...8 Anhang 3: Ansicht des Analogboards... 11

Fakultät Elektrotechnik Seite 2 von 11 2 Vorbereitung Alle Aufgaben der Versuchsdurchführung sind theoretisch vorzubereiten (incl. Formeln, Berechnungen, Diagramme etc.). Die OPV-Versuchsschaltungen sind auf Seite 7 und die verfügbaren Bauelemente (Analogboard) Seite 11 zu finden. Der Anhang 2 enthält die Innenschaltung und eine komprimierte Zusammenfassung der Daten des OPV LM741. Schwerpunkte: Kenntnisse zur Funktionsweise von OPV's (Daten, Kennlinien) Verhalten von Verstärkerschaltungen mit OPV im statischen und dynamischen Bereich Standardschaltungen des OPV, sowie deren Dimensionierung (ideales Verhalten und Berechnung) Umgang mit Labormesstechnik (Digitaloszilloskope, Frequenzgenerator, Digitalvoltmeter) Definitionen: Differenzeingangsspannung: U D = U P U N Gleichtakteingangsspannung: U GL = 0,5(U P + U N ) Eingangs-Offsetspannung: U OS = U D für U a = 0 Offsetstrom: I O = I P I N Spannungsverstärkung(Leerlauf): V D = U a /U D Gleichtaktverstärkung: V GL = U a /U GL Gleichtaktunterdrückung: CMR = V D /V Gl logarithmisches Spannungsverhältnis: V u [db] = 20lg(U a /U e ) Abbildung 1 Allgemeines Schaltzeichen OPV in Verstärkerschaltungen: Nicht invertierender Verstärker Invertierender Verstärker invertierender Verstärker V U R 2 /R 1 nicht invertierender Verstärker V U 1 + R 1 /R 2 Abbildung 2 Grundschaltungen

Fakultät Elektrotechnik Seite 3 von 11 3 Versuchsaufgaben 3.1 Statische Eigenschaften des OPV 3.1.1 Hausaufgabe a) Berechnen Sie die Spannungsverstärkung der Schaltung in Abb. 3 und geben Sie diese in Dezibel(dB) an! b) Berechnen Sie den zulässigen Eingangsspannungsbereich der Schaltung bei einer Betriebsspannung des OPV von U B+ = 15V und U B = 15V, wenn der OPV nicht übersteuert werden soll und skizzieren Sie die Übertragungskennlinie des Verstärkers. c) Leiten Sie die Formel für den Ausgangsspannungsfehler ab, der durch die Offsetspannung verursacht wird. Leiten Sie zusätzlich den Ausgangsspannungsfehler für den inverterenden Verstärker her und vergleichen sie die Fehler miteinander. 3.1.2 Statische Übertragungskennlinie eines nicht invertierenden Verstärkers. Die Kennlinie U a = f(u e ) ist oszillografisch im XY-Betrieb aufzunehmen. Dabei ist die Schaltung nach Abb.3 und eine dreieckförmige Eingangsspannung der Frequenz f = 50Hz zu verwenden. Wählen Sie die Amplitude der Dreieckspannung so, dass der Verstärker gerade übersteuert wird. Wie hoch ist die aus der aufgenommenen Kennlinie ermittelte Verstärkung in db? Vergleich mit dem theoretisch ermittelten Wert. Regeln Sie mit dem Potentiometer am OPV die Offsetspannung auf Null. Hinweis: Es ist OPV1 des Analogboards zu verwenden. Abbildung 3 Nichtinvertierender Verstärker 3.1.3 Bestimmung des Offsetstromes Es sind die Ruheströme I N und I P (Abb.4) und der resultierende Offsetstrom I 0 des OPV zu bestimmen. Zu Beginn der Messung wird der Kondensator entladen. Der Schalter wird mit einem Kabel realisiert, um einen Kurzschluss über dem Kondensator zu erzeugen. Durch das Öffnen des Schalters beginnt der Messvorgang, d.h. der Kondensator lädt sich linear durch den konstanten Ruhestrom I N bzw. I P auf und die Spannung ist am Ausgang messbar. Die Ruheströme werden mittels Gleichung 1 bestimmt und der Offsetstrom I 0 ergibt sich aus Gleichung 2. Gleichung 1: I = C U a Gleichung 2: I t 0 = I N I P Um die Genauigkeit der Messergebnisse zu erhöhen wird jede Messung dreimal wiederholt und der sich nach 10s ergebene Spannungswert aufgenommen. Für die Berechnung der Ruheströme wird das arithmetische Mittel der Spannungen verwendet. Hinweis: Es ist OPV3 des Analogboardes zu verwenden. Abbildung 4

Fakultät Elektrotechnik Seite 4 von 11 3.2 Dynamische Eigenschaften des OPV 3.3 Frequenzgang des OPV 3.3.1 Hausaufgabe a) Wie groß ist der Effektivwert der Ausgangsspannung U a in der Schaltung (Abb.3), wenn die Eingangswechselspannung einen Effektivwert von 50mV aufweist? Benutzen Sie das Ergebnis für die Spannungsverstärkung aus der Hausaufgabe 2.1.1a. b) Zeichnen Sie den Frequenz- und Phasengang eines kompensierten OPV mit einer Leerlaufverstärkung von 100dB und einer Transitfrequenz von 1MHz. Bestimmen Sie die Grenzfrequenz (erste Eckfrequenz bei Abfall der Verstärkung um 3dB). c) Zeichnen sie die Spannungsfolgerschaltung mit OPV. 3.3.2 Amplitudenfrequenzgang Die Schaltung nach Abb.3 ist mit dem OPV1 aufzubauen. Der Amplitudenfrequenzgang ist in das vorbereitete Diagramm (Abb.5) einzuzeichnen. Folgende Vorgehensweise wird empfohlen: Es ist eine Eingangswechselspannung von 50mV (Effektivwert) bei 100Hz einzustellen. Messen Sie die Ausgangsspannung und bestimmen Sie die Spannungsverstärkung V u. Legen Sie den Bezugspunkt 0dB für die folgende relative Messung auf den Eingangsspannungswert (0dB am Multimeter einstellen). Frequenz erhöhen, Ausgangsspannung beobachten. Bei Abfall von 1dB, 3dB, 6dB, 10dB,... 40dB jeweils Frequenz ablesen und in das Diagramm eintragen. Bestimmen Sie aus dem Amplitudenfrequenzgang die Grenzfrequenz f g1 und die Transitfrequenz f T des Verstärkers. Es ist oszillografisch die Frequenz zu bestimmen, bei der die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des OPV 45 (bei 3dB) und 90 (bei ungefähr 10f g ) beträgt. 3.3.3 Slew-Rate Es ist mittels einer Spannungsfolgerschaltung die Slew-Rate des OPV1 in V/µs zu bestimmen. Als Eingangsspannung wird eine Rechteckeingangsspannung mit einer Frequenz von 10kHz und einem Spannungshub von U ess = U epp = 10V verwendet. Stellen sie U e und U a untereinander auf dem Oszilloskop dar. Nun kann der Slew-Rate über die Messung von U a sowie t ermittelt werden.

Fakultät Elektrotechnik Seite 5 von 11 Abbildung 5 Diagramm für den Amplituden- und Phasen-Frequenzgang eines Operationsverstärkers

Fakultät Elektrotechnik Seite 6 von 11 3.4 Anwendung des Operationsverstärkers 3.4.1 Hausaufgabe a) Stellen Sie folgende Funktionen (eine Periode) eines als Komparator genutzten OPV maßstäblich untereinander in einem Diagramm dar. 1) die Dreieckspannung U e (t), 2) U a (t) bei U N = 10V, 3) U a (t) bei U N = 5V, 4) U a (t)bei U N = 0V, 5) U a (t)bei U N = +5V, 6) U a (t)bei U N = +10V. b) Skizzieren Sie die Schaltung eines Addierers mit OPV, der zwei Eingangsspannungen U 1 und U 2 gwichtet addiert und das Ergebnis negiert ausgibt U a = (k 1 U 1 + k 2 U 2 ). Bestimmen Sie die Formel zur Berechnung von U a für die konkrete Schaltung und dimensionieren Sie diese für die Berechnung der Summe von U 1 und U 2. 3.4.2 OPV als Addierer Die Addierer-Schaltung aus der Hausaufgabe ist mit dem OPV6 aufzubauen. Beginnen Sie mit der Addition von U 1 = 4V und U 2 = 5V. (beide Gleichspannungen aus dem ELABO Doppelnetzteil entnehmen) Ermitteln Sie die maximale Summe, die mit dieser Schaltung gebildet werden kann. Polen Sie eine der beiden Spannungen (U 1 bzw U 2 ) um. Was stellen Sie fest? 3.4.3 OPV als Komparator Die Schaltung nach Abb.6 ist mit dem OPV1 aufzubauen und als Eingangsspannung eine dreieckförmige Spannung U ess = 16V, f = 1kHz aus dem Elabogenerator vom Tischaufbau anzulegen. Vergleichen Sie den praktischen Verlauf mit Ihren Skizzen aus der Vorbereitung. Abbildung 6 Komparatorschaltung 3.4.4 OPV als Schmidttrigger Erweitern die Schaltung aus Abb.6 zur Schaltung in Abb.7. Wiederholen Sie die Messung aus Aufgabe 3.4.3. Was ist zu beobachten? Abbildung 7 Schmidttriggerschaltung

Fakultät Elektrotechnik Seite 7 von 11 Anhang 1: Oszi im xy-betrieb

Fakultät Elektrotechnik Seite 8 von 11 Anhang 2: Eigenschaften des Operationsverstärkers µa 741

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Fakultät Elektrotechnik Seite 10 von 11 Definition der wichtigen Parameter: Input Offset Voltage ist die Eingangsspannung, die man an die Differenz-Eingänge anlegen muss, um am Ausgang 0V zu erhalten. Input Offset Current ist die Differenz der beiden Eingangsstöme, um am Ausgang 0V zu erhalten. Input Bias Current ist der Mittelwert der beiden Eingangsströme. Input Resistance ist der Eingangswiderstand, d.h. der Widerstand zwischen beiden Eingängen. Input Capacitance ist die Eingangskapazität zwischen den beiden Eingängen. Offset Voltage Adjustment Range ist der Maximale Eingangsspannungsbereich, um die Ausgangsspannung auf 0V zu bringen. Input voltage Range ist der maximale Eingangsspannungsbereich. Common Mode Rejection Ratio ist die Gleichtaktunterdrückung. Supply Voltage Rejection Ratio ist die Änderung der benötigten Eingangsspannung je Volt Speisespannungsänderung, um den Ausgang auf 0V zu halten. Large Signal Voltage Gain ist die Grundverstärkung bei der maximalen Ausgangsspannung(in diesem Fall muss U A = 10V und R L = 2kΩ sein). Output Voltage Swing ist die maximale Spitzenspannung, die verzerrungsfrei übertragen wird. Sie ist lastabhängig und hier für Speisespannungen von ±15V angegeben. Output Resistance ist der Ausgangswiderstand, gemessen zwischen 0V und Ausgang. Er gilt in der Regel nur für Kleinsignalverstärkung bei ca. 100Hz 1000Hz. Output Short Circuit Current ist der Kurzschlussstrom. Supply Current ist die Gleichstromspeisung, wenn der Ausgang 0V führt Power Consumption ist der Leistungsverbrauch des Verstärkers, wenn der Ausgang auf 0V ist. Transient Response(unity gain) ist die Antwort am Ausgang nach einem Spannungsprung am Eingang des Verstärkers. Risetime bedeutet hierbei die Anstiegszeit der Ausgangsspannung. Overshort ist das Überschwingen der Ausgangsspannung in %. Slew Rate ist der Ausgangsspannungsanstieg U A zu t nach einem Eingangsspannungssprung. Supply Voltage ist die Speisespannung. Differential Input Voltage ist die maximale Eingangsspannung zwischen den beiden Eingängen. Input Voltage ist die Eingangsspannung zwischen einem der beiden Eingänge und 0V. Lead Temperatur(Soldering 60s) ist die Temperatur, die man 60s lang beim Löten erreichen darf. Average Input Offset Drift ist die Änderung der Eingangsspannung (die nötig ist, um den Ausgang auf 0V zu halten) je C Temperaturanstieg. Average Input Current Drift ist die Änderung der Differenz der beiden Eingangsströme (die nötig ist, um den Ausgang auf 0V zu halten) je C Temperaturanstieg. 6dB/octave rolloff bedeutet die Abnahme der Verstärkung um 6dB bei Verdopplung der Freuquenz. Diese Verstärkungsabnahme geschieht bei gleichzeitiger 90 Phasendrehung. Beim ya 741 nimmt die Verstärkung ab 10Hz gleichmäßig um 6dB/Oktave ab. Hinweis: 6dB/Oktave = 10dB/Dekade

Fakultät Elektrotechnik Seite 11 von 11 Anhang 3: Ansicht des Analogboards