OPERATIONSVERSTÄRKER (µA 741 C) (µA 748 C)

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Hochschule Bremen
FB Elektrotechnik
Labor für Bauelemente
und Schaltkreistechnik
Laborversuch
Operationsverstärker / 1
OPERATIONSVERSTÄRKER (µA 741 C)
(µA 748 C)
ALLGEMEINES:
OP's sind ideale Gleichspannungs- und - in bestimmten Frequenzbereichen - Wechselspannungs-Verstärker mit
2 hochohmigen Differenzeingängen
- invertierender Eingang
+ nicht invertierender Eingang
und einem sehr niederohmigen Ausgang, der ohne Aussteuerung auf dem gleichen Potential liegt wie die Eingänge.
+UB
Symbol:
un
Darstellung mit
- meist weggelassenen Versorgungsspannungen
ua
up
-UB
Eigenschaften
Ø
Ø
Ø
Ø
Spannungsverstärkung
Eingangsströme
Eingangswiderstände
Ausgangswiderstand
v0 (Leerlauf)
I n , Ip
Reale OP's zeigen zusätzlich:
Ø Offset- (Nullpunkts-) Fehler
Uos
mit Temperaturdrift
Ios
(durch Zusatzbeschaltung kompensiert)
Ø Frequenzabhängigkeit der Verstärkung v0
Grenzfrequenz fg
Bodediagramm:
v0 / dB
v0 = Funkt.(f)
100
idealer OP
µA 741C
→ ∞
0
→ ∞
→0
100 dB
80 nA
2 MΩ
< 75Ω
0
0
2 mV
20 nA

< 10 Hz
Der Verstärkungsabfall
von 20 dB/Dekade wird
durch interne Kompensationsmaßnahmen erzielt.
60
20
0
1
10
103
105
106
f / Hz
Ø Temperatur und Frequenzabhängigkeit der charakteristischen Größen
Durch geeignete externe Beschaltung (Beschaltung von Ausgang und Eingängen und Rückkopplung vom
Ausgang zum Eingang) kann der OP eingesetzt werden in
Ø linearen Schaltungen: Gegenkopplung (Ausgang auf invertierenden Eingang)
zB. Verstärker, Summierer, Differenzierer, Integrierer
Ø nichtlinearen Schaltungen: Mitkopplung (Ausgang auf nicht invertierenden Eingang)
zB. Flip-Flop, Mono-Flop, Schmitt-Trigger
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Laborversuch
Operationsverstärker / 2
Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei der Erläuterung und Berechnung von Schaltungen kann man vom
idealen OP ausgehen.
Ud
Un
Ströme und Spannungen
Gleich- oder Wechselgrößen
( f < fg )
Ua
Up
Die Eigenschaften der Gesamtschaltung (zB. Verstärkung v, Eingangs- und Ausgangswiderstand Re und Ra)
werden zT. nur durch die Beschaltung festgelegt:
Ø Invertierender Verstärker (Umkehrverstärker):
R1
I
v0 → ∞ bedeutet Ud → 0
(virtueller Nullpunkt)
In = 0 → I e + I 1 = 0
1
R2
Ie
In
Ua
R1
=−
Ue
R2
Re = R2
Ra → 0
v=
Ud
Ue
Ua
Ø Nichtinvertierender Verstärker (Elektrometer-Verstärker):
I1
R1
In
v = 1 + R1
R2
Re → ∞
Ra → 0
Ud
Ie
Ua
R2
Ue
AUFGABEN:
1) Für beide Verstärkertypen ist die Übertragungskennlinie, also UA = f(UE ), mit dem X-Y Schreiber
aufzunehmen (zweckmäßig auf einem Blatt).
Meßschaltung:
+UB
+15V
Verbindung
R1
1k
+x
1
2
Masse 1k
R2
+y
10k
UE
3
1-2 und 3-4 für
inv. Verstärker
100k
741
1-4 und 3-2 für
nicht inv. Verst.
4
UA
1k
-UB
-15V
-x
-1.5V < UE < 1.5V
x, y : SchtreiberAnschlüsse
-y
Die Übertragungskennlinien sind zu diskutieren und daraus die Werte für Gleich- und Wechselspannungsverstärkung, also für UA / UE und uA /uE zu entnehmen. Vergleich mit den Rechenwerten.
2) Der OP ist als invertierender Verstärker mit den Widerständen R1 = 100kΩ und R2 = 1kΩ zu beschalten
und mit einer Meßsignalspannung von 5mVeff (f = 1kHz) anzusteuern. Die folgenden Betriebsgrößen sind
mit dem LEADER-Millivoltmeter zu ermitteln (Oszilloskop nur zur Kontrolle):
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Laborversuch
Operationsverstärker / 3
uA
uE
Ø Grenzfrequenz fg (und damit Bandbreite B)
Ø Spannungsverstärkung vU =
Hierzu wird die Frequenz am Funktionsgenerator erhöht, bis die Ausgangsspannung auf 70,7% ( =
1
)
2
des bei Bezugsfrequenz von 1kHz gemessenen Wertes abgesunken ist.
Ø Eingangswiderstand re: Meßschaltung siehe Laborbersuch Verstärkergrundschaltungen
Alle Meßwerte sind mit den Rechenwerten bzw. Datenblattangaben zu vergleichen.
3) Untersuchung eines Integrierers:
Prinzipschaltung:
iC
iE
C
iE +iC = 0
duA ( t )
iC = C *
dt
R
uE (t)
uA(t)
uA ( t ) = − ∫
uE( t )dt
− uA ( t = 0)
R *C
10kΩ
Meßschaltung:
Wechselschalter
Bauelemente:
iC
C
iE
C = 10 µF
R = a) 50 kΩ
b) 100 k Ω
c) 200 kΩ
R
uE
uA(t)
Um die Anfangsbedingung uA(t≤0) = 0 sicherzustellen, wird in der dargestellten Wechselschalterposition
der Kondensator über den 10kΩ -Widerstand entladen und erst zum Zeitpunkt t = 0 durch Umschalten des
Wechselschalters die konstante Spannung uE = -1V am Eingang über R an den Kondensator angelegt
Die Ausgangsspannung uA(t) für t ≥0 ist mit Hilfe des Schreibers im Y-t Betrieb aufzunehmen.
Die Auslösung des zeitabhängigen Ablenkvorganges (Einstellung zB. 0,5 sec/cm, einmalige Ablenkung)
und das Anschalten der Eingangsspannung von -1V sollten in etwa gleichzeitig erfolgen.
Die Spannungsverläufe für die drei Widerstände (Darstellung zweckmäßig auf einem einzigen Blatt) sind
mit den theoretisch erwarteten Verläufen zu vergleichen.
4) Untersuchung eines invertierenden Schmitt-Triggers (Schwellwertschalter)
Prinzipschaltung und Zeitfunktionen:
748
uE
UE1
uA
R2
uA
UAmax
uE
0
UE2
t
R1
UAmin
Ansprech- und Abfallwert: Eingangsspannungen UE1 und UE2 , bei denen der OP umschaltet (s. Skizze).
Dies ist jedesmal der Fall, wenn uE (= Un) bis zum Wert von Up (festg. durch uA, siehe Schaltung) ansteigt:
R2
R 1+ R 2
Hysteresespannung: UH = UE1+ | UE 2 |≈ 2 * UA max* R 1R+ 2R 2
UE1 / 2 = UA max/ min*
mit (|Uamin| ≈ Uamax)
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und Schaltkreistechnik
Laborversuch
Operationsverstärker / 4
Der Umschaltvorgang ist abhängig von der Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit des OP (slew rate, angegeben meist in V/µs). Hier wird der im Vergleich zum µA 741 schnellere OP µA 748 verwendet und
zwar ohne Frequenzkompensation, die für diesen OP im Normalfall extern durchgeführt werden müßte.
(Warum wird keine Frequenzkompensation realisiert?)
Pin - Belegung des OP:
µA 748
µA 741
1
Dieser OP steht nicht als Steckbaustein zur Verfügung; Montage auf Steckbrett mit IC-Sockel
Achtung auf Sockelanschlußbezeichnung!
2
-UB
OP-Beschaltung:
+/- UB = +/- 15 V, R1 = 100 kΩ und R2 = 10 kΩ
Eingangsspannung: Dreieck-Spannung mit uE = 4 Vss, f = 1 kHz
Mit diesen Einstellungen sind:
8
7
+UB
3
6
A
4
5
748
Ø uE (t) und uA (t) am Oszilloskop darzustellen und
Ø die Übertragungskennlinie UA(t) = f[UE (t)] aufzunehmen.
Dazu wird das Oszilloskop in x-y-Betrieb umgeschaltet und uE (t) auf den x-Verstärker (CH.2) und uA(t) auf
den y-Verstärker (CH.1) geschaltet.
5) Aufbau eines Dreieck-Rechteck-Generators
aus nicht invertierendem Schmitt-Trigger (ST) und Integrator, Schaltung:
C = 0,1µF
748
uR
R2 = 10k
741
R =100k
uD
R1 =100k
nicht-inv.Schmitt-Trigger
Integrator
Die Funktion der Schaltung ist zu diskutieren und die sich einstellende
Frequenz mit dem theoretisch erwarteten Wert zu vergleichen:
⇒ f ≈
1 * R1
4 * RC R 2
SIMULATION DES VERSUCHES:
Im Programm Multisim 2001 stehen in der Bibliothek ANALOG - OPAMP die beiden Ersatztypen „741“ und
„MC1748..“ zur Verfügung; damit lassen sich alle Messungen auch per Simulation nachvollziehen.
SPANNUNGSQUELLEN / MEßGERÄTE:
HAMEG
HAMEG
LEADER
FLUKE
SIEMENS
HAMEG
Dreifachnetzteil
+UB, -UB
Funktionsgenerator (RG = 50Ω) Meßsignal, 1kHz
Millivoltmeter (Ri = 10MΩ)
Wechselspannungen
Multimeter (Ri > 1MΩ)
Gleichspannungen
Kompensationsschreiber
X-Y bzw. Y-t Betrieb
Oszilloskop (Zi = 1MΩ bzw. mit Tastkopf 10:1 10 MΩ)
Zusatzsteckbrett mit mehreren IC-Sockeln incl. der beiden IC’s µA741 und µA748