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La07-ww1

Operationsverstärker mit einfacher Spannungsversorgung

(Single-Supply)

1 Aufgabenstellung

· Dimensionierung einer Schaltung für Single-Supply

· Messung der Offsetspannung, der Arbeitspunkte, der realen Verstärkung und des Bodediagramms.

· Messung der Betriebsspannungsrückwirkung auf den Ausgang (PSR) sowie Setzen von Maßnahmen zur Verbesserung des Verhaltens.

2 Dimensionierung der Schaltung

Folgende Schaltung war vorgegeben, die berechneten Werte wurden bereits eingetragen:

Die Operationsverstärker wurden mit U_B = 15V bzw. Masse versorgt, den eigentlichen Bezugspunkt stellt jedoch U_B/2 dar, welches durch R_T1/R_T2 erzeugt wird.

Bei den beiden Stufen handelt es sich um eine nicht invertierende und eine invertierende Schaltung, die jedoch statt mit [U_B+, Masse, U_B-] mit [U_B, U_B/2, Masse] versorgt werden.

3 Messungen

3.1 Allgemeines

Die Schaltung wurde auf einer Lötleiste aufgebaut, die Betriebsspannung wurde mithilfe des Multimeters P2 auf den gewünschten Wert von 15V eingestellt (da dies bereits die max. Ausgangsspannung des Netzgeräts war, wurden zwei Ausgänge mit je etwa 7,5V in Serie geschaltet, um eine eventuelle Brummspannung zu reduzieren, die jedoch praktisch nicht auftrat).

Als Betriebsspannungsabblockung wurden die zwei auf der Lötleiste bereits aufgebauten Kondensatoren verwendet (je 330nF), eventuell hätte man jeweils einen Kondensator parallel zu R_T1 bzw. R_T2 schalten können (U_B/2 auch gesichert), anstatt beide in Serie von U_B nach Masse.

C_out wurde nicht verwendet (keine Last).

3.2 Offsetspannung, Arbeitspunkte

Es wurde das Potential an den folgenden Punkten gemessen (vergl. Schaltung), wobei kein Eingangssignal u_e angelegt wurde (auch Masse möglich, wegen C1 egal):

Die Offsetspannungen könnte man durch Subtraktion von A1/A2 bzw. B1/B2 ermitteln (nicht exakt wegen Anzeigegenauigkeit), eine direkte Messung zwischen Pin 3 und 2 ergab:

U_ed1 = 0,5 mV

U_ed2 = 0,1 mV

 wobei hier auch u_a/A_D0 mit einfließt (bei 10V und 100dB immerhin 0,1mV) ® nicht exakt.

Wichtiger ist jedoch, dass B und C etwa auf U_B/2 liegen (da praktisch kein Strom fließt, fällt auf keinem Widerstand eine Spannung ab und das Potential des U_B-Teilers R_T1/R_T2 liegt überall an).

3.3 Verstärkung und Bodediagramm

Zur Messung des Bodediagramms wurde als Eingangsspannung u_e ein Sinussignal mit U_ess = 6 mV_pp angelegt und die Spannung am Ausgang von N1 (u_a1) bzw. N2 (u_a) gemessen.

Zuerst wurde für C_in = 1mF eingebaut, das Ausgangssignal zeigte jedoch ein starkes Schwingen (Signal x-mal vertikal auf Oszilloskop verschoben), mit C_in = 220nF verschwand es fast vollständig. Möglicherweise entstand dies, da kein DC-Offset eingestellt war und sich der Kondensator ständig umgeladen hat. Eine Änderung von R_T1/R_T2 auf 470 W brachte keine Abhilfe. Wegen des geringen Schwingens war bei Frequenzen über 100kHz eine Ablesung nur mehr schwer möglich.

Die Verstärkung A1 (erste Stufe) sollte bei 19 liegen, A2 bei 68 (lt. Widerstände) bzw. 70 (Vorgabe), A_ges bei 1330.

Der letzte Punkt der A_ges bzw. A2-Messreihe (bei 100kHz) sollte eigentlich weiter unten liegen, damit die Kurve mit -20dB fällt, möglicherweise ist hier ein Messfehler schuld  mit 400mV statt 800mV ergibt sich nämlich eine solche Gerade.

3.4 Betriebsspannungsrückwirkung PSR

Für diese Messung wurde das Eingangssignal kurzgeschlossen (um Einflüsse auszu-schalten); in Serie zu der Betriebsspannung wurde ein Wechselstromtrafo (50Hz, 1V_pp) geschaltet, um einen Versorgungsbrumm zu simulieren, danach wurde die Ausgangsspannung gemessen.

Zur Verringerung der Wirkung auf den Ausgang wurden verschiedene Kondensatoren bzw. eine Zenerdiode (U_Z unter U_B/2) parallel zu R_T2 geschaltet.

4 Interpretation der Messergebnisse

Der wesentliche Vorteil der Single-Supply Methode liegt darin, dass nur eine Spannungsquelle zur Versorgung der Operationsverstärker notwendig ist.

Als neue Bezugsspannung dient U_B/2, welche fast überall anliegt und den Arbeitspunkt bestimmt; nur der Ausgang von N2 entfernt sich etwa 0,7V nach oben. Dies kann an der größeren Verstärkung oder an einem Spannungsabfall auf R₃ liegen (bei R₃=1,5MW und I_B=40nA erhält man allerdings nur 60mV).

Die Eingangsdifferenzspannung ist fast Null, da durch die Widerstände I_B kompensiert wird, ein Einfluss entsteht wahrscheinlich nur durch u_a/A_D0.

Die Verstärkung der ersten Stufe ist etwas kleiner als berechnet, die der zweiten etwas größer, sodass A_ges fast exakt stimmt. Die Abweichungen sind vermutlich durch Bauteiltoleranzen verursacht worden (A1 um +9%, A2 um -8% falsch; Kohleschicht-R hat ±10%) · genaue Bauelemente verwenden.

PSR: Die Zenerdiode zeigt keine Wirkung, weil U_Z mit 7,5V zu groß war (U_B/2 ebenfalls 7,5V). PSR ist möglicherweise so groß, da A_ges mehr als 60dB beträgt. Trotzdem erscheint dieser Wert viel zu groß, normal sollte er im mV-Bereich liegen! :-(

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Letztes Update vom 25. Jul. 1999 von Florian Rosenauer