| |
|
Bitte beachte die Copyrighthinweise.
Instrumentenverstärker
1 Aufgabenstellung
· Messung der Differenzverstärkung mit verschiedenen Verstärkungen
· Messung der SLEW - Rate mit unterschiedlichen Verstärkungen bzw. Eingangs-spannungen sowie Anschluss dieser am pos./neg. Eingang
· Messung der Betriebsspannungsabhängigkeit
· Messung des Gleichtaktverhaltens
2 Messungen
2.1 Allgemeines
Bei allen Messungen wurde als Instrumentenverstärker der Typ AMP-02 von Analog Devices im 8-DIL-Gehäuse verwendet (Datenblatt beiliegend). Da der IC empfindlich ist (vor allem jedoch teuer), wurde er entsprechend sorgfältig behandelt: Während der Lötarbeiten wurde die pos./neg. Versorgung vom Netzgerät abgezogen und auf Masse angeschlossen. Die Pinbelegung entspricht im wesentlich der des mA741.
Die Schaltung wurde auf einer Lötleiste aufgebaut, die Betriebsspannungsabblockung erfolgte mit zwei 330nF-Kondensatoren, welche in den Schaltungen jeweils extra gezeichnet sind.
Als Betriebsspannung wurde das Labortisch-Netzgerät mit dem fixen ±15V-Ausgang verwendet (bzw. dem variablen Ausgang bei der Messung des Betriebsspannungseinflusses). Die fixe Ausgangsspannung betrug +15,19/-15,02V (mit Multimeter P2 gemessen).
Alle Masseverbindungen wurden an einem Punkt angeschlossen, um Spannungsabfälle zu vermeiden.
2.2 Messung der Verstärkung A und der SLEW-Rate SR
2.2.1 Verstärkung Aid = 0dB
Die Verstärkung ist bei diesem IC-Typ mit einem externen Widerstand einzustellen, den man nach folgender Formel lt. Datenblatt berechnet:
Mit A = 0dB = 1 ergibt sich somit RG = ¥, d.h. es wurde kein Widerstand eingebaut.
Die SLEW - Rate wurde jeweils im steilen Bereich des Signals durch die Messung von DU und Dt ermittelt (vergl. Signaldiagramm). Als Eingangssignal ue wurde ein Rechteck mit 100kHz verwendet. Die Messung wurde mit vertauschten Eingängen wiederholt.
SRä bezeichnet die SR bei der steigenden Eingangssignal-Flanke
SRæ bezeichnet die SR bei der fallenden Eingangssignal-Flanke
Die Benennung wurde nicht auf das Ausgangssignal bezogen, da durch die Invertierung die Ausgangssignal - Flanke mit der Abrundung einmal steigend und einmal fallend ist. Durch diese Benennung ist ein Vergleich somit leichter möglich.
|
Signal-Eingang1 |
ue [V] |
SR |
DU [V] |
Dt [ms] |
SR = DU/Dt [V/ms] |
|
±5 |
SRä |
8 |
1,4 |
5,7 |
|
|
Plus + |
SRæ |
8 |
1,55 |
5,2 |
|
|
±10 |
SRä |
20 |
3,2 |
6,3 |
|
|
SRæ |
15 |
3 |
5,0 |
||
|
±5 |
SRä |
6 |
1 |
6,0 |
|
|
Minus - |
SRæ |
8 |
1,6 |
5,0 |
|
|
±10 |
SRä |
15 |
2,5 |
6,0 |
|
|
SRæ |
15 |
2,9 |
5,2 |
Signaldiagramm:
Signaldiagramm
Beide Signale waren auf dem Oszilloskop praktisch gleich groß, die Verstärkung betrug demnach erwartungsgemäß A = 1; eine genaue Messung wurde nicht durchgeführt.
2.2.2 Verstärkung A = 40dB
Laut Datenblattformel ergibt sich für RG:
Es wurde eine Serienschaltung 470W + 33W = 503W verwendet (exakt 501W; mit Multimeter P2 gemessen).
Da der Frequenzgenerator über keine (funktionsfähige) Abschwächung größer als 10dB verfügte, musste zusätzlich ein Spannungsteiler 10:1 am Eingang verwendet werden, der Innenwiderstand wurde niederohmig angesetzt (ca.R2 = 1kW), die Spannung ue mittels des Oszilloskops auf ±30mV eingestellt.
Die SLEW - Rate wurde wie vorher jeweils im steilen Bereich des Signals durch die Messung von DU und Dt ermittelt. Als Eingangssignal ue wurde wieder ein Rechteck mit 100kHz verwendet. Die Messung wurde mit vertauschten Eingängen wiederholt.
SRä bezeichnet die SR bei der steigenden Eingangssignal-Flanke
SRæ bezeichnet die SR bei der fallenden Eingangssignal-Flanke
|
Signal-Eingang |
ue [V] |
SR |
DU [V] |
Dt [ms] |
SR = DU/Dt [V/ms] |
|
Plus + |
±30mV |
SRä |
4 |
0,8 |
5 |
|
SRæ |
4 |
0,7 |
5,7 |
||
|
Minus - |
±30mV |
SRä |
4 |
0,65 |
6,2 |
|
SRæ |
4 |
0,75 |
5,3 |
Die Ausgangsspannung betrug ±3V, somit ergibt sich eine Verstärkung von 100 = 40dB.
Diese Messung ist jedoch nicht sehr genau, da die Spannungen nur am Oszilloskop abgelesen wurden, eine genaue Messung wurde nicht durchgeführt.
Die Signalform war praktisch mit der bei A = 0dB ermittelten identisch.
2.3 Betriebsspannungseinfluss
Hierzu wurden die Eingänge des Instrumentenverstärkers auf Masse angeschlossen, am Ausgang konnte die Ausgangsoffsetspannung gemessen werden, die durch Einflüsse der Eingangsoffsetspannung, des PSR - Wertes, durch eventuell vorhandene Einflüsse der Biasströme (nur mit Widerständen am Eingang, deshalb wurden alle Messungen dieser Laborübung ohne Widerstände an den Eingängen durchgeführt) bzw. der Gleichtaktverstärkung (nur mit Eingangssignal), Rauschen etc. entsteht.
Die Verstärkung betrug wie bei der vorigen Messung 40dB.
Die Ausgangsspannung wurde mit dem Präzisions-Multimeter P4 gemessen, welches vorher mit kurzgeschlossenen Messleitungen abgeglichen wurde.
|
UB- [V] |
UB+ [V] |
Ua = Uaoff [mV] |
|
15 |
15 |
1,30 |
|
10 |
15 |
1,25 |
|
6 |
15 |
1,25 |
|
3 |
15 |
16,6 |
|
15 |
10 |
0,31 |
|
15 |
6 |
0,39 |
|
15 |
3 |
0,31 |
|
6 |
6 |
1,40 |
Mit 40dB ergibt sich eine Eingangsoffsetspannung von ca. 3 bis 170mV.
2.4 Gleichtaktverhalten
Das Gleichtaktverhalten wurde aus Zeitgründen nicht mehr gemessen. Wie die anderen Laborgruppen feststellten, ergaben sich bei einer Rechteckansteuerung jeweils hochfrequente Schwingungen im Umschaltzeitpunkt. Dies liegt daran, dass durch einen unsymmetrischen Aufbau die Signallaufzeit am positiven und negativen Eingang nicht ganz gleich ist.
3 Interpretation der Messergebnisse
Die Schaltungen lieferten im allgemeinen die erwarteten Ergebnisse.
Die SLEW - Rate ist fast unabhängig von der Eingangsspannung (±5V/±10V) sowie von dem verwendeten Eingang (Plus/Minus). Einzig bei den an-/abfallenden Flanken ist ein merkbarer Unterschied erkennbar: Der Verstärker schaltet bei der positiven Flanke des Eingangssignals schneller als bei der negativen (ca. 1/6 oder 15%). Möglicherweise entsteht dieses Verhalten durch interne Schaltkapazitäten, worauf auch die abgerundete Flanke des Ausgangssignals hindeutet.
Die Signalform ist bei dem invertierten Signal (abgesehen von der Inversion) mit dem nicht-invertierten identisch.
Die Ausgangsoffsetspannung in Abhängigkeit von UB liegt mit 0,3 bis 1,5mV unter den Angaben im Datenblatt (1-20mV), rechnet man mit Aid = 100 auf die Eingangsoffsetspannung zurück, würde auch diese etwa stimmen (20-350mV). Lediglich bei der Betriebsspannungs-kombination 3V/15V steigt sie stark (dies liegt jedoch bereits außerhalb der Spezifikationen; da bei 15V/3V dieser Effekt jedoch nicht auftritt, ist hier wieder eine Unsymmetrie erkennbar).
Man erkennt hier bereits die z.T. hochgezüchteten Eigenschaften des Instrumentenverstärkers, die eine deutlich erkennbare Unsymmetrie wie hochfrequente Schwingungen beim Umschalten etc. Zur Folge hat, dafür erreicht er sehr gute Werte der Offsetspannung und eine sehr frequenzunabhängige SR (zumindest im gemessenen Bereich).
1 Eingang des ICs, an dem der Frequenzgenerator angeschlossen wurde (anderer Eingang auf Masse).
