Teilschaltungen des Operationsverstärkers

Studiengang Elektrotechnik
Labor Grundlagen der Elektrotechnik 2
Versuch 8:
Teilschaltungen des
Operationsverstärkers
Modul/Unit-Nr. TELG2002.2
Kurs-Nr.
TEL…..GR…...
Name der/s Studierenden:
................................................................................
Laborausarbeitung in Ordnung.
Laborausarbeitung ungenügend.
Betreuer:
………………...
Ort/Datum:
........................
Unterschrift:
........................
1.Fragen zur Einführung
1.1 Wie lässt sich der Basis-Emitter-Widerstand R BE eines Transistors bestimmen?
Wie ist der Kollektor-Emitter-Widerstand R CE eines Transistors definiert?
Welche Größenordnungen haben R BE , R CE und Stromverstärkung
?
1.2 Wie lässt sich die Spannungsverstärkung einer Emitterstufe ohne Widerstand R E im
Emitterkreis berechnen? Was ändert sich, wenn R E eingefügt wird?
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2.Vorbereitung
Verstärker für analoge Signale bestehen außer beim Einsatz im Bereich sehr hoher
Frequenzen aus monolithisch integrierten Schaltungen. Diese sind in ihrem Aufbau der
verwendeten Technologie angepasst und lassen auf den ersten Blick ihre Grundstruktur
nicht erkennen. Bild 1 nennt die 3 Teilaufgaben, die bei diesen sog. Operationsverstärkern anfallen:
u e1
Spannungsverstärkung
Differenzverstärkung
u e2
Leistungsverstärkung
ua
u a = v (u e1 u e2 )
Bild 1 :
Drei wesentliche Bausteine zur Lösung dieser Aufgaben werden im Folgenden
untersucht: Konstantstromquelle, Differenzverstärker und komplementärer
Spannungsfolger. Dabei reicht es aus, die Beschreibung der Transistoreigenschaften auf
Bild 2 zu beschränken.
B : Basis
iB
E : Emitter
B
C
R BE
R CE
iB
C : Kollektor
R BE : = U T /I B : Basis-Emitter-Widerstand
R CE : = Kollektor-Emitter-Widerstand
: Stromverstärkung
E
Bild 2:
i B : Basisstrom im Arbeitspunkt
UT
26mV :Temperaturspannung
bei
250 C
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2.1Die Konstantstromquelle
R0
IL
I0
R0
UL
RL
IL
U0
RL
UL
U 0 = R 0 I0
dI L /dU L = -1/R 0
I L = I 0 - U L /R 0
U L = U0 - R 0 IL
Bild 3
R L einen konstanten
Bild 3 zeigt zwei äquivalente Schaltungen, die für R 0
Strom I L erzeugen. dI L / dU L strebt gegen 0, wenn der Quellenwiderstand R 0 über alle
Grenzen geht. Da der Strom I L in der rechten Schaltung mit wachsendem R 0 kleiner
wird, müsste ein wachsendes U 0 den Ausgleich schaffen.
Mit kleinen Spannungen U 0 lässt sich dann das gleiche Ziel erreichen, wenn eine
Schaltung eingesetzt wird, die - in einem begrenzten Spannungsbereich - einen hohen
dynamischen Innenwiderstand R 0 aufweist. Dies leistet ein Transistor in
Emitterschaltung, bei dem der Kollektorwiderstand den Lastwiderstand R L
bildet (vgl. Bild 4)
R B1 R B2
UV
R B1
R BE
U CE
IB
R CE
C
E
R B2
IL
IB
RL
B
C
B
U0
UL
E
RE
RE
IL IB
0V
Bild 4
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RL
Der Gegenkopplungswiderständ R E stellt hinreichend sicher, dass bei konstantem U 0 nur
Spannungsänderungen
d U CE = d U L
(2a)
auftreten.
Ferner gilt für die Eingangsmasche:
U0
I B (R B1 R B2 ) I B R BE I B R E I L R E
(2b)
und für den Kollektorknoten C:
I L = - I B - U CE /R CE
(2c)
Der äquivalente Innenwiderstand R 0 der Stromquelle gemäß Gl.(1) ergibt sich aus
Gl.(2a, b, c) zu
R 0 R CE ( 1
R B1
RE
)
R B2 R BE R E
Aufgabe 1
a) Verifizieren Sie Gleichung (3) !
b) Wie groß ist R 0 für
R CE = 20 k ,
R B1 R B2
= 500, U T = 26 mV I L
4,7k
und RE 470
I B 20mA
?
Aufgabe 2
In Bild 4 sei gegeben:
U V = 30 V; U BE = 0,6 V; R E = 470
.
Wie ist der Spannungsteiler t R B2 / ( R B1
R B2 ) zu wählen, damit I L = 2 mA wird ?
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2.2 Der Differenzverstärker
+U V
iC
RC
i1
+U V
iC
iC
RC
T1
u a1
ua 2
T2
RC
i2
RC
i1
u2
u1
iC
T1
ua 2
T2
RE
R0
iL
RE
-U V
( i1 + i 2 )/2 = iG
( u1 + u 2 )/2 = u G
u1 - u 2
i1 -i 2
= uD
= iD
Bild 5b:
Bild 5a:
Die Schaltungen in Bild 5 sind symmetrisch aufgebaut mit gemeinsam benutztem R 0 .
Zur Beschreibung ihrer Eigenschaften ist es günstig, die Eingangsgrößen
u1 ,i1 und u 2 , i 2 umzudeuten in die Mittelwerte u G und i G und die Differenzen u D und i D .
Bei Gegentaktaussteuerung (Differenzaussteuerung) ist jeder Transistor mit
u D / 2 ( i D / 2 ) bez. u D / 2 ( i D / 2 ) beteiligt; der Strom i L ändert sich nicht.
Somit arbeiten beide Transistoren als Emitterstufen.
Für Bild 5a gilt daher:
u a1
1
2
R C R CE
1
u D ( bzw. u a 2
R BE
2
i2
u2
u1
R0
iL
-U V
u a1
R C R CE
uD )
R BE
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Die Differenzverstärkung beträgt somit
VD
u a1
uD
1
R C R CE
( R BE , R CE siehe Bild 2)
2 R BE ( R C R CE )
In Bild 5b gilt für R CE * = R CE (1+
VD
u a1
uD
RE
)
R BE R E
R C und R BE
(4a)
ß RE :
1 RC
2 RE
(4b)
Aufgabe 3
Vollziehen Sie die Gleichungen (4a, b) mit den Erkenntnissen des Versuchs 3 im
3. Halbjahr nach. Beachten Sie dabei vor allem die Bedeutung der Voraussetzungen zu
Gl (4b) im Ersatzschaltbild der Emitterschaltung ( für R CE * vgl. auch R 0 der
Konstantstromquelle)
Die Gleichtaktverstärkung ergibt sich zu:
VG
( i.a. R 0
u a1
uG
RE
ua 2
uG
RC
2 R0
(5)
R BE / )
Aufgabe 4
Welche einfache äquivalente Umformung in den Bildern 5a,b zeigt die Gültigkeit der
Gl (5) ?
Weitere Eigenschaften ergeben sich direkt aus den Bildern 5a,b und den Kenntnissen
über die Emitterschaltung:
Bild 5a
Differenzeingangswiderstand
Gleichtakteingangswiderstand
Ausgangswiderstand
2 R BE
R BE 2
R C R CE
Bild 5b
2 ( R BE
R0
R BE
RE ) 2
RE
( 2R 0 R E ) 2
R C R CE *
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R0
Aufgabe 5
Es ist v D
v G erwünscht. Wie ist dies zu erreichen?
Aufgabe 6
Welche Aufgabe und Wirkung haben die Widerstände R E ?
2.3 Der komplementäre Spannungsfolger.
UV
T1
u1
UV
T1
u a1
u2
RL
u a1
u1
u2
T2
T2
UV
Bild 6a:
RL
UV
Bild 6b:
Nach einer hohen Spannungsverstärkung, z.B. durch eine Emitterstufe, bleibt die
Aufgabe, mit einem kleinen Innenwiderstand eine große Ausgangsleistung
bereitzustellen. Dazu bieten sich Spannungsfolger an. Wegen der symmetrischen
Spannungsversorgung und dem Wunsch, zu 0V symmetrische Signale zu verstärken, ist
der symmetrische Emitterfolger geeignet. Er arbeitet in einer Ausführung nach Bild 6a
im Gegentakt (B-Betrieb), d.h. T1 und T2 wechseln sich im Stromfluss ab (vgl. Bild 7a).
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u1
u2
u1
u2
t
Bild 7a:
t
Bild 7b:
In beiden Takten folgt das Ausgangssignal dem Eingangssignal im Abstand U BE . Dies
führt zu sog. Übernahmeverzerrungen, die verringert werden können durch gleichzeitiges
Leiten beider Transistoren (A-Betrieb) im Übernahmebereich. Eine mögliche
Ausführung zeigt Bild 6b: Die beiden Dioden D1 und D 2 trennen die Basispotentiale
von T1 und T2 so, dass diese die Stromleitung stetig übergeben und übernehmen
(Gegentakt-AB-Betrieb; vgl. Bild 7b). Die Widerstände R E helfen dabei mit und
begrenzen den Ausgangskurzschlussstrom.
2.4 Der Operationsverstärker
Die Schaltung in Bild 8 simuliert den Aufbau eines Operationsverstärkers. Zwischen
Differenz- und Ausgangsstufe wirkt eine Emitterstufe mit Transistor T4 . Ihr
Kollektorwiderstand ist durch eine Stromquelle realisiert mit dem wirksamen
(differentiellen) Widerstand R 0 aus Gl. (3). Eine weitere Stromquelle bildet den
gemeinsamen Emitterzweig des Differenzverstärkers.
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Bild 9 stellt einige wichtige Kenngrößen des Operationsverstärkers zusammen:
V
uD
u1
ua
u2
V=VD : Differenzverstärkung
V G : Gleichtaktverstärkung
G : Gleichtaktunterdrückung
U0 : Offsetspannung
IE : Eingangsruhestrom
I0 : Eingangs-Offset-Strom
RD :Differenz-Eingangswiderstand
RA :Ausgangswiderstand
Bild 9
Aufgabe 7
Wie sind die Kenngrößen in Bild 9 definiert? Vergleichen Sie hierzu Bild 10.
ie
ie1
uD
u0
i0
ie2
U1
U2
ie
u`D
0
Re
ia
Ra
-v u`D
ie
vG
u1 + u 2
2
Gleichstromersatzschaltbild des Operationsverstärkers
Bild 10
Aufgabe 8
Welche weiteren spezielle Transistorschaltungen kennen Sie? Welche Vorteile
könnten Sie in der Schaltung aus Bild 8 bringen?
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ua
3.Meßaufgaben und Auswertung
3.1 Konstantstromquelle
+U
v
RL
22k
82k
A
UC
P1
10k
U
T1
v
15V
T1 BCY59D
U
UE
470
U
v
Bild 11
- Nehmen Sie die Schaltung nach Bild 11 in Betrieb. Wählen Sie I L = 2 mA bei R L 0
- Verändern Sie R L .
Messen Sie dabei U. (Beachte: U E =const.)
Messen Sie gleichzeitig I L .
Wie groß ist R 0
U / IL
U CE / I L
Vergleichen Sie die Messung mit der theoretischen Vorhersage der Gl.(3) (Datenblatt!).
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3.2 Differenzverstärker
+ UV
U V 15V
1mA
1mA
1k2
T2 ,T3 : BCY59D
1k2
u1
u a1
u a1
u0
T2
uG
u2
T3
47
47
I L = 2mA
47k
P2
100k
R 0 aus 3.1
UV
Bild 12
- Nehmen Sie die Schaltung nach Bild 12 in Betrieb; R 0 ist dabei die Stromquelle
aus 3.1 . Wählen Sie I L = 2 mA !
Schließen Sie die Quellen u G und u 0 = u D an und überzeugen Sie sich von der
Funktionstüchtigkeit des Differenzverstärkers durch Änderung von u G mit
- Messen Sie v D = u al /u G . (Verwenden Sie u 0 als direkte, geerdete Quelle für u D ,
d.h. ohne Übertrager! )
- Messen Sie v G = u al /u G . (Verwenden Sie u 0 als Quelle für u G !)
- Vergleichen Sie die gemessenen Werte mit den theoretischen Vorhersagen der
Gl.(4) und (5). Gilt Gl. (4b) für v D ?
- Wie groß ist die Gleichtaktunterdrückung G?
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P2 .
- Wie groß müsste ein ohmscher Widerstand R 0 sein, damit die Arbeitspunkte
bleiben, d.h. u E seinen Gleichwert behält, wenn u G = 0 ist?
Wie groß ist dann die Gleichtaktunterdrückung G?
3.3 Emitterstufe mit Stromquelle
+ UV
u B4
U V 15V
100
T4 : BCY78
P3
10k
T5 : BCY59D
T4
82k
ua
UV
UV
82k
P4
10k
T5
RC = R0
P5
1k
100
UV
Bild 13
Nehmen Sie die Emitterstufe (T4) nach Bild 13 in Betrieb.
Wählen Sie die Basisvorspannung U B4 = 1,2 V.
Stellen Sie über P4 , P5 den Widerstand R C = R 0 der Stromquelle ( T5 ) so ein,
dass u a ungefähr OV wird.
Messen Sie v u . Entspricht der Messwert Ihren Erwartungen?
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3.4 Komplementärer Spannungsfolger
+ UV
T6
U V 15V
56
T6 : 2N2219
ua
ua10k
56
T7 :2N2905
D1 , D 2 :1N4007
T7
UV
Bild 14
-Nehmen Sie die Schaltung nach Bild 14 in Betrieb. Verwenden Sie als
Stromquellen die Transistorstufen mit T4 und T5 aus 3.3.
- Beobachten Sie das Übertragungsverhalten u a f ( u e ) mit und ohne
Potentialverschiebung mit Hilfe der Dioden D1 und D 2
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3.5 Operationsverstärker
u1
u2
uD
Differenzverstärker
Emitterstufe
Kollektorstufe
ua
Bild15
- Stellen Sie die Teilschaltungen zum Operationsverstärker zusammen.
(direkte Kopplung T3
T4 , P3 von T4 trennen! )
- Überprüfen Sie v D und v G !
Was hat sich gegenüber 3.2 ( Differenzverstärker ) geändert?
- Bestimmen Sie den Differenzeingangswiderstand R e und den
Ausgangswiderstand R a !
V2.1 26.08.2009 Hu
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