Labor für Analogelektronik Versuch 1: Grundlagen der

Praktikum Analogelektronik
Versuch 1, Version 4
Labor für Analogelektronik
Praktikum Analogelektronik
Professor Dr.-Ing.Ulrich Ludemann
Versuch 1: Grundlagen der Operationsverstärker
Versuchstag:_______________________________________________
Gruppenteilnehmer:__________________________________________
Bearbeiter:_________________________________________________
Dieses Blatt bitte vor Ihre Ausarbeitung heften.
Die Versuchsanleitungen brauchen nicht abgegeben zu werden.
Richtlinien für die Durchführung des Analogelektronikpraktikums:
1.
Alle Versuche müssen zu Hause vorbereitet werden.
2.
Zu jedem Praktikumsversuch findet am letzten Versuchstag ein Kolloquium statt.
Anhaltspunkte für mögliche Fragestellungen sind dem jeweiligen Abschnitt "Fragen zum
Kolloquium" zu entnehmen.
3.
Zu jedem Versuch ist eine Ausarbeitung abzugeben. Diese Ausarbeitungen sind von
wechselnden Gruppenmitgliedern auszufertigen. Ausarbeitungen müssen bis spätestens
zwei Wochen nach Versuchsdurchführung abgegeben werden.
4.
Das Praktikum läuft über die volle Zeit. Sollten Sie während einer Veranstaltung einen
Versuch beenden, so beginnen Sie sofort darauf mit dem nächsten Versuch.
5.
Es gilt die allgemeine Laborordnung der Fachhochschule Osnabrück. Insbesondere weisen
wir Sie darauf hin, daß das Kopieren von Files, die Sie nicht selbst erzeugt haben, untersagt
ist. Dies gilt auch für das Aufrufen von Software, die keinen direkten Bezug zum jeweiligen
Laborversuch hat.
6.
Das Praktikum ist eine Prasenzveranstaltung, bei der alle Mitglieder einer Gruppe
zusammenarbeiten.
Deshalb
ist
pünktliches
Erscheinen
wichtig.
Zweimaliges
unentschuldigtes Fehlen führt zum Ausschluss des Teilnehmers aus dem Praktikum, welches
dann ineinem anderen Semester wiederholt werden muß.
1
Praktikum Analogelektronik
Versuch 1, Version 4
Versuch 1: Grundlagen der Operationsverstärker
Bild 1.1 zeigt den Meßaufbau für die Versuchsteile 1.1 bis 1.2, wobei jeweils nur ein Operationsverstärker verwendet wird. In diesem Schaltbild sind die Betriebsspannungsquellen noch eingezeichnet, dies ist in allen spätern Schaltbildern nicht mehr der Fall.
15V
=
Ri = 10MΩ
μA741
I+
V=
+
μA741, TL081
OUT
_
V=
15V
+
OUT
I-
A=
_
Osz.
V=
=
Ua
Ia
Poti 4.7kΩ
Elektronik-Platte
a.)
b)
Bild 1.1: a.) Messung der Eingangsströme, b.) Messung der Belastbarkeit des Ausgangs
Versuch 1.1: Messung der Eingangsströme des μA741
Zur Messung der Eingangsströme benötigt man hochempfindliche Amperemeter, die uns nicht zur
Verfügung stehen. Statt dessen setzen wir Digitalvoltmeter ein. Diese besitzen im Millivoltmeßbereich
einen Innenwiderstand von 10 MΩ. Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.1a auf und verbinden Sie die
„COM“-Anschlüsse der Multimeter mit Masse. Schalterstellung „mV“.
Wählen Sie zwei Operationsverstärker vom Typ μA741 sowie einen OP vom Typ TL081 und messen
Sie jeweils die Spannungsabfälle an den Meßgeräten. Berechnen Sie daraus die Ströme I+ und I-.
Betrachten Sie die Ausgangsspannungen der Operationsverstärker mit dem Oszillographen. Je nach
Versuchsaufbau ist der Ausgangsspannung eine Wechselspannung überlagert. Wo rührt diese
Wechselspannung her?
Beim TL081 sind die gemessenen Werte sehr klein und damit die Meßgenauigkeit sehr gering. Sie
sollten daher die gemessenen Werte nur als Hinweis für die Größenordnung der Eingangsströme
werten.
Bestimmen Sie den Biasstrom und den Offsetstrom gemäß
IBIAS =
I+ + I−
2
und
IOffset = I+ − I−
2
K
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Versuch 1, Version 4
Versuch 1.2: Belastbarkeit des Ausgangs eines μA741
Ab hier sind die Verbindungen der Operationsverstärker zum Netzgerät nicht mehr in den
Schaltbildern dargestellt, müssen aber doch vorhanden sein.
Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.1b auf. Der OP ist völlig übersteuert. Der μA741 ist kurzschlußfest, sein Kurzschlußstrom wird aufgrund thermischer Effekte bei Dauerlast kleiner. Gehen Sie deshalb bei der Messung der Ausgangsströme wie folgt vor: Zuerst wird der Ausgang kurzgeschlossen
und etwa zwei Minuten gewartet, bis der Kurzschlußstrom einen einigermaßen stationären Wert
angenommen hat. Schalten Sie parallel zum Kurzschluß das 4.7k-Poti. Messen Sie die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom, indem Sie den Kurzschluß nur für kurze Zeit zur Messung aufheben. Stellen Sie eine Messreihe für die Ausgangsspannung ua auf, indem Sie den Strom von 0mA
(Poti nicht angeschlossen) in Schritten von 3mA bis zum Kurzschluß erhöhen.
Zeichnen Sie die Ausgangsspannung als Funktion des Ausgangsstromes.
Versuch 1.3: Offsetspannung des Operationsverstärkers
R2 = 1MΩ
R1 = 1kΩ
_
R2 = 100kΩ
R1 = 10kΩ
μA741
_
OUT
OUT
+
Uo
=
R3 = 1kΩ
μA741
Ua
ue
a.)
+
~
ua
b.)
Bild 1.2: a: Offsetspannungsmessung und b: Messung der Slew Rate
Die Offsetspannung entsteht durch Unsymmetrien im Operationsverstärker. Man kann sie als
Spannungsquelle Uo modellieren, die zwischen den Eingängen des OP’s liegt. Sie wird mit dem
Gleichspannungsverstärkungsfaktor des beschalteten Operationsverstärkers verstärkt.
Bestimmen Sie den Verstärkungsfaktor der Schaltung nach Bild 1.2a. Bauen Sie die Schaltung auf
und benutzen Sie dabei ein Operationsverstärkermodul ohne eingebaute Offsetspannungskompensation, kenntlich am fehlenden Loch. Dabei liegt der Widerstand R1 mit dem linken Anschluß direkt an
Masse. Die im Schaltbild eingezeichnete Spannungsquelle UO soll die Offsetspannung symbolisieren,
ist in Wirklichkeit jedoch nicht vorhanden.. Messen Sie die Ausgangsspannung Ua und berechnen Sie
die Offsetspannung Uo. Wozu dient der Widerstand R3? Schließen Sie nun R3 kurz und messen Sie
die Ausgangsspannung erneut. Begründung? Heben Sie nun den Kurzschluß von R3 wieder auf.
Jetzt den linken Anschluß des Widerstandes R1 an +15 Volt legen und den Ausgang für 2 Minuten
kurzschließen, damit sich das Chip erwärmt. Widerstand wieder an 0 Volt legen, Kurzschluß aufheben
und die Ausgangsspannung messen. Wie groß ist nun die Offsetspannung?
3
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Versuch 1, Version 4
Versuch 1.4: Slew Rate und Übersteuerungseffekte
Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.2b auf und steuern Sie die Schaltung mit einem Rechtecksignal
der Frequenz 10kHz und einem Spitze-Spitze-Wert von 2 Volt an. Oszillographieren Sie Eingangsund Ausgangsspannung mit einer zeitlichen Ablenkung von 10μsec/cm. Bestimmen Sie die Slew Rate
SR = Δua/Δt, indem Sie die Ablenkfaktoren so verändern, daß Sie nur noch die ansteigende Flanke
auf dem Bildschirm haben. Messung mit der „Cursor-Funktion“ des Oszillographen. Wechseln Sie den
μA741 gegen einen TL081 aus und bestimmen Sie dessen Slew Rate.
Ersetzen Sie den TL081 nun wieder durch einen μA741 und verdoppeln Sie nun die Eingangsspannung auf 4 VSS so daß die Schaltung übersteuert wird. Oszillographieren Sie nun wieder
Eingangs- und Ausgangsspannung. Welche grundsätzliche Änderung kann man nun erkennen,
besonders bei der abfallenden Flanke der Ausgangsspannung?
Reduzieren Sie nun die Eingangsspannung auf ihren alten Wert von 2 VSS (keine Übersteuerung)
und oszillographieren Sie die Differenzspannung und die Ausgangsspannung.
Berechnen Sie nun mit der ermittelten Slew Rate für den μA741 die maximale Frequenz für eine
sinusförmige Spannung mit einer Ausgangsamplitude von 10 Volt gemäß
SR = 2π * fmax * Ua max
Stellen Sie die Amplitude der Eingangsspannung mit der Frequenz f,max so ein, daß sich rechnerisch
eine Ausgangsamplitude Uamax von 10 Volt ergibt. Die Kurvenform ist Sinus. Oszillographieren Sie
die Ausgangsspannung. Anschließend oszillographieren der Ausgangsspannung bei einer Frequenz
von f=3*fmax.
Versuch 1.5: Invertierende Grundschaltung und Umkehraddierer
Die Schaltung in Bild 1.2b nennt man auch „Invertierende Grundschaltung“. Sie soll nun weiter untersucht werden. Bauen Sie die invertierende Grundschaltung aus Bild 1.3a auf.
ie1
R2 = 100kΩ
R1 = 10kΩ
_
A~
ue
ie2
A~
_
OUT
+
~
V~
μA741
A=
ue1
ue2
ua
a.)
OUT
+
μA741
ua
b.)
Bild 1.3: a: Invertierende Grundschaltung und b: Umkehraddierer
In Reihe mit dem Widerstand R1 liegt ein als Wechselstromamperemeter geschaltete Multimeter, am
Knoten zwischen Amperemeter und Widerstand liegt ein Voltmeter. Stellen Sie eine Eingangsspannung mit einem Effektivwert von etwa 0.7 Volt ein, die Frequenz des sinusförmigen Signales
betrage 500 Hz. Kontrollieren Sie mit dem Oszillographen, ob die Ausgangsspannung verzerrt ist.
Messen Sie den Strom durch den Widerstand und bestimmen Sie den Eingangswiderstand der
Schaltung. Wie groß ist der Strom durch den Widerstand R2 ? Bestimmen Sie aus diesem Strom den
Effektivwert der Ausgangsspannung.
4
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Versuch 1, Version 4
Entfernen Sie nun die Multimeter aus der Schaltung. Stellen Sie die Eingangsspannung nun so ein,
daß bei 50 Hz die Ausgangsspannung verzerrt ist. Kanal 1 des Oszillographen wird mit dem
Eingang, Kanal 2 des Oszillographen mit dem Ausgang verbunden. Der Oszillograph wird auf XYBetrieb eingestellt und die Kennlinie der Schaltung aufgenommen. Nun die Eingangsspannung soweit
verringern, daß sich eine Ausgangsspannungsamplitude von 0.5 V ergibt. Dabei wieder die
Zeitablenkung einschalten. Wie groß ist die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und
Ausgangsspannung? Die Frequenz auf 50 kHz vergrößern. Kontrollieren, ob die Kurvenform noch
sinusförmig ist. Ist die Phasenverschiebung konstant geblieben? XY-Betrieb, bei f=50kHz Kennlinie
oszillographieren. Woher rührt die Lissajous-Figur?
Verbinden Sie zum Messen der Differenzspannung den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit dem Verstärker der Elektronikeinheit (v=1). Der Ausgang des Verstärkers wird mit dem
Kanal 1 des Oszillographen verbunden. Schalten Sie Kanal 2 ab. Messen Sie die Amplitude der
Differenzspannung für f=50Hz, 500Hz, 5 kHz, 50kHz, 500kHz. Die Amplitude der Eingangsspannung
betrage jeweils 100mV. Ablesbare Ergebnisse sind erst ab 5 kHz zu erwarten.
Jetzt den Generator auf Rechtecksignal umstellen. Die Frequenz sei 5kHz. Oszillographieren Sie
Ausgangsspannung (Kanal 2) und Differenzspannung (am Verstärker). Woher rühren die Nadelimpulse der Differenzspannung?
Bauen Sie den Schaltung nach Bild 1.3b auf. An den Ausgang des Operationsverstärkers wird der
Oszillograph angeschlossen.
Stellen Sie eine Hilfsspannungsquelle auf eine Spannung von 1 Volt ein und legen Sie die Spannung
an den Eingang ue1 an. Messen Sie den sich einstellenden Strom und bestimmen Sie den Eingangswiderstand re1. Welche Ausgangsspannung müßte sich einstellen? Kontrolle mit Hilfe des Oszillographen. Wiederholen Sie den Vorgang am Eingang ue2.
Entfernen Sie das Amperemeter und schließen ein Voltmeter (Gleichspannung) zusätzlich zum
Oszillographen an den Ausgang an. An ue1 ein Sinussignal 500 Hz, Amplitude 0.1V sowie eine
Gleichspannung von 1 V an ue2. Messen der Ausgangsgleichspannung, oszillographieren von ue1
und ua. Nun die Amplitude des Sinussignales auf 1 Volt, so daß die Ausgangsspannung deutlich
verzerrt ist. Oszillogramm, Messen der Ausgangsgleichspannung Ua mit dem Multimeter. Erklärung
für die Änderung der Gleichspannung aus dem arithmetischen Mittelwert der Wechselspannung.
Versuch 1.6: Invertierende Grundschaltung als Konstantspannungsquelle
Im Bild 1.4 wird der Operationsverstärker als Konstantspannungsquelle eingesetzt. (Dies kann in der
Praxis auch eine Wechselspannung sein.)
10kΩ
10kΩ
Ia
_
OUT
Ue
+
=
A=
μA741
V=
Ua
Bild 1.4: Invertierende Grundschaltung als Konstantspannungsquelle
5
Poti 4.7kΩ
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Versuch 1, Version 4
Benutzen Sie als Signalquelle die Referenzspannungsquelle und stellen Sie sie auf -5V ein. Messen
Sie die Ausgangsspannung ohne Belastung (Poti nicht angeschlossen). Schließen Sie nun das Poti
an und messen die Ausgangsspannung Ua als Funktion von Ia in Schritten von 3mA.
Zeichnen Sie die Ausgangsspannung als Funktion des Ausgangsstromes und vergleichen Sie das
Ergebnis mit dem vom Versuch 1.2 (unbeschalteter Operationsverstärker).
Versuch 1.7: Invertierende Grundschaltung als Konstantstromquelle
Bauen Sie die Schaltung nach Bild 1.5 auf. Die Eingangsspannung Ue ist gleich -5 Volt.
Poti 4.7kΩ
A=
1kΩ
IK
_
OUT
Ue
+
=
μA741
V=
Ua
Bild 1.5: Invertierende Grundschaltung als Konstantstromquelle
Berechnen Sie den Strom IK, der aufgrund Ue fließen müßte. Messen Sie den Strom als Funktion der
Ausgangsspannung Ua beginnend vom Zustand der Übersteuerung bis zum Kurzschluß des Potentiometers in Schritten von 2 Volt. Dividieren Sie die Ausgangsspannung durch den gemessenen Strom
und tragen Sie den Strom IK als Funktion des Poti-Widerstandes auf. Die Meßwerte bei Übersteuerung können dabei weggelassen werden.
Versuch 1.8: Nichtinvertierende Grundschaltung
Bauen Sie die nichtinvertierende Grundschaltung nach Bild 1.6 auf. Schließen Sie den Oszillographen
an den Ausgang des Operationsverstärkers an.
ie
A~
μA741
+
OUT
_
ue
~
R2 = 100kΩ
ua
R1 = 10kΩ
Bild 1.6: Nichtinvertierende Grundschaltung
Stellen Sie mit Hilfe eines Multimeters die Eingangsspannung auf einen Wert von 0.7 Veff ein. Die
Frequenz des Signales sei 500 Hz, die Kurvenform Sinus. Messen Sie die Ausgangsspannung ua mit
dem Multimeter und bestimmen Sie die Spannungsverstärkung vu. Ist der Operationsverstärker übersteuert (Oszillograph)? Messen Sie den Eingangswechselstrom ie. Vergrößern Sie die Eingangsspannung so stark, daß der OP deutlich übersteuert. Wie groß ist nun der Eingangswechselstrom?
6
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Versuch 1, Version 4
Versuch 1.9: Subtrahierer
Bauen Sie die Subtrahierschaltung aus Bild 1.7 auf und schließen Sie am Ausgang des Operationsverstärkers den Oszillographen an.
R1=47kΩ
R2=100kΩ
_
ue1
R3=47kΩ
~
ue2
~
OUT
+
Poti 4.7kΩ
μA741
ua
R4=100kΩ
Bild 1.7: Subtrahierer
Verbinden Sie die beiden Eingänge des Subtrahierers miteinander und legen Sie eine Eingangsspannung ue an: Sinus 500 Hertz, Effektivwert 6 Volt (Multimeter). Nun drehen Sie am 4.7kΩ-Poti so
lange, bis die Ausgangsspannung ein Minimum erreicht hat. Messen Sie ue und ua mit dem Multimeter. Bestimmen Sie die Gleichtaktverstärkung vGl des Schaltung:
v Gl =
ua
ue
Nun die Betriebsspannung abschalten, den Operationsverstärker herausnehmen, die Verbindung zum
Generator lösen, so daß die Widerstände isoliert sind. Messen Sie die folgenden Widerstände:
- R1
- R2
- RA = R3 + Poti bis Schleifer
- RB = R4 + Poti bis Schleifer
Bilden Sie die Quotienten R2/R1 und RB/RA
Stellen Sie die Schaltung wieder her und messen Sie für ue1eff=1 Volt die Ausgangsspannung ua.
Der Eingang ue2 ist dabei an Masse zu legen. Bestimmen Sie die Differenzverstärkung vD:
vD = 2 *
ua
u e1
Der Faktor 2 rührt daher, daß wir nur mit einer Spannung aussteuern und nicht mit zwei entgegengesetzt gleich großen Spannungen.
Wie groß ist die Gleichtaktunterdrückung G?
G=
7
vD
v Gl
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Versuch 1, Version 4
1.10
Fragen zum Kolloquium
1.
Eigenschaften eines idealen Operationsverstärkers: Spannungsverstärkung, Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand?
2.
Was ist die Offsetspannung eines Operatiosverstärkers, was die Slew Rate?
3.
Wie groß ist die Differenzspannung uD bei einem idealen, gegengekoppelten Operationsverstärker?
4.
Eigenschaften der invertierenden Grundschaltung (Bild 1.3a): Spannungsverstärkung,
Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand (bei idealem OP).
5.
Eigenschaften der nichtinvertierenden
Grundschaltung
(Bild
1.6):
verstärkung,Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand (bei idealem OP).
6.
Warum ist die Differenzspannung bei realen gegengekoppelten Operationsverstärkern
ungleich Null und warum ist die Höhe der Differenzspannung frequenzabhängig?
7.
Welcher Eingangswiderstand ist beim Subtrahierer (Bild 1.7) konstant (idealer OP): Der Eingangswiderstand der oberen Klemmen gegen Masse (bei ue1) und/oder der Eingangswiderstand der unteren Klemmen gegen Masse (bei ue2)?
8
Spannungs-
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Versuch 1, Version 4
Anhang: Meßprotokolle
Versuch 1.1: Eingangsströme
OP
μA741
U+/mV
U-/mV
I+/nA
I-/nA
IBias
IOffset
μA741
TL081
___
Versuch 1.2: Ausgangsspannung und Ausgangsstrom als Funktion des Belastung
Ia/mA
0
3
6
9
12
15
18
21
24
Ua/V
Abhängig vom Kurzschlußstrom des jeweiligen Operationsverstärkers sind die letzten Werte der Meßreihe eventuell nicht möglich.
Kennlinie Ua als Funktion von Ia zeichnen.
Versuch 1.3: Offsetspannung
Ausgangsspannung Ua=
Offsetspannung Uo=
V
V
Ausgangsspannung Ua ohne R3:
V
Ausgangsspannung mit R3 nach Erwärmung:
9
V
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Versuch 1, Version 4
Versuch 1.4: Slew Rate und Übersteuerungseffekte
Oszillogramm Eingangsspannung/Ausgangsspannung
Slew Rate des μA741: Δua/Δt=
=
V/μsec
Slew Rate des TL081: Δua/Δt=
=
V/μsec
Oszillogramm Eingangsspannung/Ausgangsspannung bei Übersteuerung
Oszillogramm Differenzspannung/Ausgangsspannung ohne Übersteuerung
fmax =
SR
=
2π * Ua max
Oszillogramm Ausgangsspannung f=fmax
Oszillogramm Ausgangsspannung f=3fmax
Versuch 1.5a: Invertierende Grundschaltung
Gemessene Eingangsspannung:
Gemessener Eingangsstrom:
V
μA
Berechneter Eingangswiderstand:
kΩ
Gemessener Strom im Rückkopplungskreis:
μA
Berechnete Ausgangsspannung: ua=i*R2=
V
ua/ue Kennlinie für v=10, 50 Hz
Phasenverschiebung bei 50Hz:
ua/ue Kennlinie für v=10, 50 kHz
Differenzspannung als Funktion der Frequenz:
Frequenz/
Hz
Differenzspannung
VSS
50
500
5k
50k
500k
Oszillogramm Ausgangsspannung und Differenzspannung bei Rechtecksignal 5kHz.
Die Nadelimpulse der Differenzspannung:
10
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Versuch 1, Version 4
Versuch 1.5b: Umkehraddierer
ue1/V=
ue2/V=
ie1/mA=
ie2/mA=
re1/Ω=
re2/Ω=
ua/V=
ua/V=
Mit Sinussignal (Ua ist die Gleichspannung, die mit dem Multimeter gemessen wird)
ue1=0.1V
ue1=1V
Ua=
(unverzerrt)
Ua=
(verzerrt)
V
V
Oszillogramm ue1=0.1 Volt, ua
Oszillogramm ue1=1 Volt, ua
Erklärung für die Änderung der gemessenen Ausgangsgleichspannung:
1.6: Invertierende Grundschaltung als Konstantspannungsquelle
Ia/mA
0
3
6
9
12
15
18
21
24
Ua/V
Anmerkung: Je nach Operationsverstärker lassen sich die letzten Meßwerte nicht aufnehmen, da die
Kurzschlußsicherung des Operationverstärkers den Strom bereits begrenzt.
Kennlinie Ua als Funktion von Ia zeichnen
Vergleich mit Versuch 1.2:
11
Praktikum Analogelektronik
Versuch 1, Version 4
1.7: Invertierende Grundschaltung als Konstantstromquelle
Ua/V
13
12
10
8
6
4
2
≈0
IK/mA
RPoti/Ω
Versuch 1.8: Nichtinvertierende Grundschaltung
ue =
ua=
ie=
μA
ue =
ua=
ie=
μA
Versuch 1.9: Subtrahierer
Gleichtaktverstärkung G:
ueeff/V=
uaeff/mV=
vGl
R2/kΩ=
RB/kΩ=
R2/R1=
RB/RA=
uaeff/V=
v=ua/ue1=
Widerstände:
R1/kΩ=
RA/kΩ=
Differenzverstärkung:
ue1eff/V=
Gleichtaktunterdrückung:
G=
12