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Operationsverstärker
1 Aufgabenstellung
· Messung der Offsetspannung Uoff
· Messung der beiden Biasströme
· Aufnahme des Bodediagramms für AD0 und Berechnung desgleichen
2 Schaltung
Die Betriebsspannung Ub beträgt ±15V, als OpAmp wurde der Typ 741 (exakte Bezeichnung auf Gehäuse TSL MA741 4293) verwendet.
Die nachstehend gezeichnete Schaltung wird im folgenden als Schaltung bezeichnet:
Der Betriebsspannungsanschluss wurde auf der rechten Seite extra gezeichnet. Alle Masseleitungen liefen im Knoten A zusammen (Vermeidung von Potentialdifferenzen auf der Masseleitung wegen des Leitungswiderstands).
Die allg. Übertragungsgleichung mit d. eingetragenen Strömen (vergl. EDT-Heft 11.9.1.1), im folgenden als Gleichung bezeichnet, lautet:
3 Messungen
3.1 Allgemeines
Vor der ersten Messung wurden die Tastköpfe des Oszilloskops abgeglichen.
Nach einer Veränderung des Aufbaus wurde mittels des Oszilloskops die Welligkeit der Betriebsspannung (mit bereits angeschlossener Schaltung) überprüft, sie lag bei etwa 10mV UBrss und hatte somit keinen störenden Einfluss (Der Betriebsspannungseinfluss auf den Ausgang PSR beträgt lt. Datenblatt max. 150 mV/V).
Bei allen Messungen wurde besonders auf die richtige Polung des Multimeters geachtet.
Die Schaltung wurde auf einer Lötleiste, mit einem bereits vormontierten IC in einer Fassung auf einer kleinen Platine, aufgebaut.
3.2 Messung der Eingangs-Offsetspannung
Eine direkte Messung der Offsetspannung ist nicht möglich (Verfälschung durch Eingangswiderstand des Multimeters von 10MW), deshalb wurde die Schaltung mit folgenden Werten aufgebaut:
R1 = 0 (Kurzschluss)
R2 = ¥ (Unterbrechung)
R3 = 0 (Kurzschluss)
Die Gleichung vereinfacht sich mit den oben angegeben Werten und AD0 = ¥ auf:
Ua = Ib+ · R3 Uoff = Uoff
sodass über die Ausgangsspannung Uoff gemessen werden konnte:
Ua = Uoff = 2,8 mV
3.3 Messung des Biasstroms Ib+
Eine direkte Messung der Biasströme ist nicht möglich (zu klein für Messgerät, Probleme wegen Innenwiderstand); eine Messung über die Spannung an R3 (bei Ib+) ist ebenfalls nicht möglich (Verfälschung durch Eingangswiderstand des Multimeters von 10MW, der als Parallelwiderstand zu R3 wirkt ® Korrekturrechnung wäre nötig), deshalb wurde die Schaltung mit folgenden Werten aufgebaut:
R1 = 0 (Kurzschluss)
R2 = ¥ (Unterbrechung)
R3 = 1MW für großen Spannungsabfall
Die Gleichung vereinfacht sich mit den oben angegeben Werten und AD0 = ¥ auf:
Ua = Ib+ · R3 Uoff
sodass über die neue Ausgangsspannung und die bereits vorher ermittelte Offsetspannung der Strom Ib+ errechnet werden kann:
Die (verfälschte) Spannung UR3 betrug +38,2 mV, dies würde mit 1 MW einen Strom von +38,2 nA ergeben.
3.4 Messung des Biasstroms IB-
Aus den bereits beim vorigen Punkt (IB+Messung) genannten Gründen wird auch dieser Strom indirekt gemessen, es wurde die Schaltung mit folgenden Werten aufgebaut:
R1 = 1MW für großen Spannungsabfall
R2 = ¥ (Unterbrechung)
R3 = 0 (Kurzschluss)
Die Gleichung vereinfacht sich mit den oben angegeben Werten und AD0 = ¥ auf:
Ua = Ib- · R1 Ib+ · R3 Uoff = Ib- · R1 Uoff
sodass über die nun gemessene Ausgangsspannung und die bereits vorher ermittelte Offsetspannung der Strom Ib- errechnet werden kann:
Die direkt gemessene (verfälschte) Spannung UR1 betrug +39,7 mV, dies würde mit 1 MW einen Strom von +39,7 nA ergeben
3.5 Vergleichsmessung mit beiden Biasströmen
Als Kontrolle für die Messung von Ib- wurde noch folgender Aufbau der Schaltung verwendet, der beide Biasströme einbezieht und wie die anderen Messungen als reine DC-Messung durchgeführt wurde.
R1 = 1MW
R2 = ¥ (Unterbrechung)
R3 = 1MW
Die Gleichung vereinfacht sich mit den oben angegeben Werten und AD0 = ¥ auf:
Ua = Ib- · R1 Ib+ · R3 Uoff
sodass über die neue Ausgangsspannung und die bereits vorher ermittelten Werte für Uoff und Ib+ der Strom Ib- errechnet werden kann:
Dieser Wert liegt 0,4 nA über dem vorher errechneten und ist sicher der ungenauere, da die Messung mit dem Multimeter nur mehr auf 1 Digit (1 Nachkommastelle) durchgeführt werden konnte.
3.6 Aufnahme des Bode-Diagramms für AD0
Bei dieser Messung wurde die untenstehende Schaltung aus folgenden Überlegungen heraus aufgebaut und betrieben:
Da die Leerlaufdifferenzverstärkung AD0 sehr groß ist (104 - 105), muss man mit Eingangsspannungen im mV-Bereich operieren. Da jedoch durch die Offsetspannung im mV-Bereich dies unmöglich wird, mussten Maßnahmen ergriffen werden:
·
Hierzu wurde statt R2 eine Parallelschaltung von Kondensatoren
eingebaut. Ausgehend von der Gleichung
Aid = 
erkennt man, dass für DC-Terme (Uoff, Ib,
für die die Kondensatoren einen unendlichen Widerstand darstellen: X2
= ¥),
ein Aid = 1 gilt.
D. h. die Offsetspannung erscheint am Ausgang mit 2,8 mV und wird nicht
mit AD0 verstärkt.
· Für
die AC-Signale ergibt sich bei hohen Frequenzen (X2
und somit 1/Aid geht gegen 0): 
(Formel )
d.h. Wechselspannungen am Eingang erscheinen am Ausgang mit A »
AD0 verstärkt und somit im Volt-Bereich, die 2,8 mV
Offset sind vernachlässigbar!
Hierbei ist jedoch zu bedenken, dass AD0 mit steigender
Frequenz ab einem gewissen Punkt abnimmt und somit die Gesamtverstärkung
A wieder sinkt, weshalb A an der Stelle des Maximalwerts der im Diagramm
aufgenommenen Funktion auszurechnen ist.
· Bei
niedrigeren Frequenzen als fT ist darauf zu achten,
dass das Verhältnis von R1 zu X2 sehr groß
bleibt, damit weiter 1/Aid = 0 in Formel
gilt.
R1 sollte mindestens 1MW
groß sein, um dies zu gewährleisten. Da in der Schaltung im
Labor jedoch 10kW
verwendet wurden, müsste man die exakte Formel
(mittlerer Term) verwenden, die Leerlaufdifferenzverstärkung kann
nicht ermittelt werden, da X2 unbekannt ist.
Möglicherweise trat ein Resonanzeffekt auf (X2 min, Aid
steigt), der zu dem Maximum führte, welches frequenzmäßig
viel höher liegen sollte.
· Der
Signalspannungsteiler wird benötigt, da eine genaue direkte
Einstellung von Spannungen im mV-Bereich
(hier) praktisch unmöglich ist bei AD0 »
105 und einer Eingangsspannung Uess = 10mV
beträgt Uass-max »
AD0 · Uess »
1V).
Bei einem 100:1 Teiler benötigt man als die Signalspannung somit
etwa Usigss = 1mV, welche bereits leichter einzustellen ist.
Mit einem Querstrom IRt2 = 100nA (20fache des Biasstroms,
welcher dann vernachlässigt werden konnte) ergibt sich als Rg
= Rt1 + Rt2 = 
= 10kW,
der in Rt1 = 10kW
und Rt2 = 100W
aufgeteilt wurde.
· Als Eingangsspannung wurden zuerst Usig = 1mV·sin(wt) angelegt, da der OpAmp jedoch übersteuert wurde, musste sie auf Usig = 100mV·sin(wt) reduziert werden, wodurch der Spannungsteiler etwas stärker belastet wurde (weniger Querstrom), aus Zeitgründen jedoch nicht mehr korrigiert werden konnte.
· Die Parallelschaltung der Kondensatoren wird deshalb nicht durch einen einzelnen Kondensator realisiert, da sie einen großen Frequenzbereich abdecken muss. Der Elko ist aufgrund der geringen Spannungen nicht gefährdet.
Bei der Messung wurde zuerst die Frequenz verändert, um das Maximum von Uass zu finden (134Hz), um danach um diesen Wert die Kurve aufzunehmen, welche nach obigen Überlegungen nicht sehr aussagekräftig ist; außerdem wurden aus Zeitgründen nicht mehr Messwerte aufgenommen werden.
Diagramm
AD0 = 136 dB = 6 · 106 nach obigen Überlegungen.
|
f [Hz] |
Uess [V] |
Uass [V] |
A [dB] |
j [°] |
|
100 |
1 |
120 |
-90 |
|
|
134 |
6 |
136 |
0 |
|
|
1k |
1mV |
0,1 |
100 |
90 |
|
10k |
ca. 0 |
4 Interpretation der Messergebnisse
Die Messung der Offsetspannung gestaltete sich relativ einfach, sie liegt mit 2,8 mV im lt. Datenblatt (typ. 1, max. 5mV) erwarteten Bereich.
Dasselbe gilt für die Biasströme mit etwa 40nA (lt. Datenblatt typ. 200, max. 500nA für Input Bias und typ. 30, max. 200nA für Input Offset Current). Es zeigt sich außerdem, dass eine Messung direkt über die Spannung an den Widerständen R1/R3 zu einem Fehler führt; immerhin etwa 5nA oder 10% (1MW || 10MW).
Während der Messung der Offsetspannung und der Biasströme ging der OPV plötzlich in die Sättigung ( Uoff = 12,8V ) oder verursachte hochfrequente Störungen am Ausgang im Volt-Bereich. Dieses Verhalten konnte auf einen Wackelkontakt der vorgelöteten Platine mit dem OPV zurückverfolgt werden, der zu einer (teilweisen bzw. vollständigen) Unterbrechung der Verbindung von Pin 6 (Ausgang) zu Pin 2 (Minuseingang) führte.
Da nun der interne Differenzverstärker an der Basis des einen Transistors keinen Strom mehr ziehen konnte, sperrte er und das Potential am seinem Kollektor ging gegen +Ub, wodurch die große Ausgangsspannung entstand. Ein offener Eingang ist deshalb keinesfalls zulässig.
Die Funktionstüchtigkeit des ICs kann man mittels einer Spannungsfolgerschaltung prüfen, an die ein Sinussignal angelegt wird.
Bei der Aufnahme des Bode-Diagramms wäre es besser gewesen, von der Transitfrequenz beginnend nach unten die Messwerte aufzunehmen, da die Spitze der Kurve bei einer sehr niedrigen Frequenz liegt, ev. hätte man bei R1/R3 mehr als 10kW verwenden sollen.
1 nicht sinnvoll (mathematisch: -¥)
2 nicht mehr messbar, da Uass zu klein
