| |
|
Bitte beachte die Copyrighthinweise.
Operationsverstärker - Grundschaltungen
1 Aufgabenstellung
Aufbau und Messung folgender Werte bei der invertierenden, nicht invertierenden und der Summierverstärkerschaltung mit unterschiedlichen Verstärkungen:
· Ausgangsoffsetspannung
· Betriebsspannungsbereich und zugehörige Aussteuerungsgrenzen
· Bodediagramm
· SLEW - Rate
· Summierverstärker mit unterschiedlichen Frequenzen der Eingangssignale.
2 Messungen
2.1 Allgemeines
Als Operationsverstärker wurde ein mA741-Typ (Gehäuseaufdruck Portugal UA741CP 9106AR), als Betriebsspannung die fixe Labortischspannung UB = ±15V verwendet (mit Multimeter P3 überprüft: +14,85V/-14,75V).
Die Tastköpfe des Oszilloskops wurden abgeglichen, die Schaltung wurde auf einer Lötleiste aufgebaut, wobei alle Masseverbindungen auf einen zentralen Punkt (in der Schaltung als (A) bezeichnet) gelegt wurden, um Spannungsabfälle zu vermeiden.
Als eine erste Messung wurden beide Eingänge des Operationsverstärkers auf Masse gelegt (keine Rückkopplung), der Ausgang befand sich darauf in der positiven Aussteuerungsgrenze von 13,91V.
Nach dem Aufbau einer Schaltung wurden an dieser alle oben genannten Messungen durchgeführt. Im folgenden sind die gleichen Messungen (Uoff, UB. Bodediagramm, etc.) der unterschiedlichen Schaltungen jeweils in einer Tabelle zusammengefasst.
2.2 Schaltungen
2.2.1 Nicht invertierender Verstärker
2.2.2 Invertierender Verstärker
2.2.3 Summierverstärker
Der Summierverstärker wurde aus Zeitgründen nicht mehr aufgebaut.
Bei einer anderen Laborgruppe konnte man bei dieser Schaltung falls die beiden Eingangsspannungen mit unterschiedliche Frequenz eingespeist wurden am Ausgang eine Überlagerung der beiden Sinusspannungen beobachten, die je nach Frequenzunterschied von einem Signal mit zwei Bergen bis zu einer 3D -ähnlichen Oberfläche reichten.
2.3 Dimensionierung der Widerstände
2.4 Messung der Ausgangsoffsetspannung UAoff
Für die Messung der Ausgangsoffsetspannung wurde der Eingang der jeweiligen Schaltung auf Masse angeschlossen und mit dem Multimeter P2 die Ausgangsspannung gemessen, wobei besonders auf die Polarität geachtet wurde:
|
Schaltung: |
||
|
A |
nicht invertierend |
invertierend |
|
10 |
15,7 mV |
15,65 mV |
|
1000 |
1,37 V |
2.5 Bodediagramm der Verstärkung A
Hierzu wurde am Eingang ein Sinussignal angelegt (Frequenzgenerator G1), als Eingangsspannung wurde bei A1 = 10 ein Uess = 1,00V (Sättigung ab etwa 2,5 bis 2,8Vss); bei A2 = 1000 ein Uess = 20 mV (Sättigung ab etwa 50mVss) verwendet.
Eine positive Phase bedeutet ein voreilendes Ausgangssignal. Die Transitfrequenz liegt bei jener Frequenz, bei der die Eingangs- gleich der Ausgangsspannung wird (A = 1, vergl. Bodediagramm). Bei der invertierenden Schaltung war dies bei 200 kHz der Fall.
Bei A1 = 10 wurde das Ausgangssignal aufgrund der SLEW - Rate ab etwa 20kHz dreiecksförmig, ab etwa 50kHz war nur mehr ein abgerundetes Dreieck zu erkennen.
Bei A2 = 1000 war der positive Anteil der Ausgangsspannung größer als der negative (Offsetspannung).
Messwerte:
Für die Messung der SR wurde am Eingang der Schaltung ein Rechtecksignal angelegt und die Änderung des Ausgangssignals beobachtet. Die Frequenz wurde so eingestellt, dass die Ausgangsspannung ein stark abgeschrägtes Rechteck, jedoch noch kein Dreieck war. Die Messung wurde im unteren Bereich der positiven Flanke durchgeführt, da diese oben abgerundet war. Durch die Bildung eines Steigungsdreiecks wurde die SR errechnet. Die dritte Messung wurde mit AD0 durchgeführt (d.h. negativer OPV - Eingang auf Masse, positiver auf Rechteck uess = 20mV, keine Widerstände).
Für die anderen Messung wurde die Amplitude so eingestellt, dass sich der OPV nicht in der Sättigung befand.
|
A |
nicht invertierende Schaltung |
|
10 |
0,556 V/ms |
|
1000 |
0,083 V/ms |
|
AD0 |
0,063 V/ms |
2.7 Betriebsspannungsbereich
Bei dieser Messung wurden bei unterschiedlichen Betriebsspannungen die Aussteuerungsgrenzen ermittelt. Hierzu wurde die Schaltung an das variable Netzteil des Labortisches angeschlossen und die Betriebsspannung mit den Multimetern P2/P3 jeweils auf den gleichen Betrag von ±15V kleiner werdend eingestellt. Als Eingangssignal wurde ein Sinussignal angelegt und dies solange erhöht, bis es an den Aussteuerungsgrenzen abgeschnitten wurde, diese Werte wurden dann notiert.
Für A1 = 10 lieferte die Schaltung bis 1,8V ein Ausgangssignal, mit A2 = 1000 bis 1,9V zumindest auf der positiven Seite.
Im folgenden sind diese Messungen nach sinkender Betriebsspannung (äußere Kurven) dargestellt:
3 Interpretation der Messergebnisse
Die Ausgangsoffsetspannung steigt mit größer werdender Verstärkung. Dies ist leicht dadurch erklärbar, dass die Offsetspannung eigentlich am Eingang als relativ konstante Größe auftritt; wurde die Verstärkung von 11 auf 1000 (Faktor 91) erhöht, steigt UAoff von 15,7mV auf 1,37V (Faktor 87).
Das Bodediagramm zeigt deutlich, dass mit einer geringeren Verstärkung der nutzbare Frequenzbereich größer wird. Sehr gut ist die kleine Differenz der invertierenden Schaltung (A = 10) und der nicht invertierenden (A = 11) erkennbar. Im Bereich über 20kHz liegt eine relativ gute Deckung der Kurven vor, lediglich die A = 1000 Kurve liegt scheinbar etwas über den anderen, hier wären zusätzliche Messwerte für einen genaueren Vergleich erforderlich gewesen. Die Aussage des Kevin-Bandbreite-Produkts ist gut erkennbar.
Die Phase zeigt nicht einen so schönen Verlauf, möglicherweise liegt dies einerseits am dem komplexen Aufbau des OPV oder andererseits an Messungenauigkeiten, da der Phase im Labor nicht so viel Beachtung geschenkt wurde.
Die SLEW - Rate sinkt mit steigender Verstärkung; bei A = 10 stimmt sie mit der Datenblattangabe von 0,5V/ms sehr gut überein.
Betriebsspannung: Die Differenz zwischen UB und UAlim bleibt unabhängig von UB fast konstant, wobei die Differenz auf der negativen Seite größer ist, während auf der positiven fast kein Spannungsabfall vorhanden ist. Dies lässt den Schluss zu, dass der OPV intern nicht exakt symmetrisch aufgebaut ist.
