Laborübung, OPV: invertierender Verstärker

31. März 2015
Elektonik 1
Martin Weisenhorn
Laborübung, OPV: invertierender Verstärker
Einführung
Ein realer OPV besitzt ein endliches Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBP). Im Fall des
µA 741 gilt GBP = 1 MHz. Das GBP beschränkt die verfügbare Verstärkung abhängig von
der Signalfrequenz. Dieser Zusammenhang soll experimentell untersucht werden. Am Ende der
Laborübung können Sie die Frage beantworten, welche Verstärkung sich mit dem µA 741 in
dem Audio Frequenzband realisieren lässt.
FG
Rq
R1
R2
uq (t)
= ue (t)
ua (t)
Abbildung 1: Invertierender Verstärker.
1 Invertierender Verstärker
Bauen Sie einen Verstärker nach dem Schaltbild in Abb. 1 auf, es sei R2 = 100 kΩ.
a) Wählen Sie den Widerstand R1 so, dass die Quellenspannung des FG mit dem Faktor |v1 | =
1 000 verstärkt wird. Berücksichtigen Sie den Innenwiderstand des Funktionsgenerators.
b) Bei einer Quellspannung uq = 20 mVpp folgt eine Ausgangsspannung von ua = 20 Vpp.
Damit eine derart hohe Ausgangsspannung möglich ist, muss auch die Betriebsspannung
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ausreichend hoch sein. Sehen Sie im Datenblatt des µA 741 nach wie hoch diese Spannung
sein darf. Wählen Sie eine entsprechende Betriebsspannung. Hinweis: Der OPV benötigt
eine positive und eine negative Betriebsspannung.
c) Testen Sie die Schaltung. Wenn alles Funktioniert wie Sie es erwarten, können sie zum
nächsten Schritt übergehen.
d) Ermitteln Sie messtechnisch den Widerstand mit dem der Verstärker den Ausgang des
Funktionsgenerators belastet. Welchen Wert würden Sie aus Ihrer eigenen Überlegung
erwarten?
e) Messen Sie die Verstärkung v1 = ua /ue als Funktion der Frequenz für
f ∈ {100 , 101 , 102 , 103 , 104 , 105 , 106 } Hz. Verwenden Sie dazu ein MATLAB-Skript. Stellen
Sie das Ergebnis graphisch als Funktion der Frequenz dar.
f) Richtig interessant wird ist die doppelt logarithmische Darstellung:
% u_e1 .... Amplitude der Eingangsspannung
% u_a1 .... Vektor mit Amplituden der Ausgangsspannung
% f
.... Vektor mit den Frequenzen
%
figure ;
loglog (f , u_a1 / u_e1 , 'b ') ;
grid on
xlabel ( 'f [ Hz ] ') ;
ylabel ( ' v_1 ( f ) ') ;
title ( ' Invertierender Verst ä rker ') ;
2 Invertierender Verstärker mit reduzierter Verstärkung
a) Erhöhen Sie nun in Ihrer Schaltung R1 so, dass bei tiefen Frequenzen gilt |v2 | = 100.
Testen Sie erneut die Schaltung auf ihre korrekte Funktion.
b) Wiederholen Sie die Messung der Verstärkung v2 für die Frequenzen
f ∈ {100 , 101 , 102 , 103 , 104 , 105 , 106 } Hz. Zeichnen Sie die Verläufe von v1 und v2 in denselben Plot:
figure ;
loglog ( f_1 , u_a1 / u_e1 , 'b ') ;
grid on
xlabel ( 'f [ Hz ] ') ;
ylabel ( 'v ( f ) ') ;
title ( ' Verst ä rkung als Funktion der Frequenz ') ;
hold on
loglog ( f_2 , u_a2 / u_e2 , 'r - - ') ;
legend ( ' v_1 (0) =1000 ' , ' v_2 (0) =100 ')
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c) Welchen Zusammenhang beobachten Sie zwischen dem GPW und der frequenzabhängigen
Verstärkung? Beschreiben Sie den Zusammenhang in eigenen Worten.
d) Für einen Audio Verstärker soll der Frequenzbereich von 10 bis 16 kHz durch den invertierenden Verstärker verstärkt werden. Wie gross darf die Verstärkung sein, sodass alle
Frequenzen gerade noch gleich stark verstärkt werden?
3 Vertauschung der Eingänge des OPV.
Vertauschen Sie die Eingänge des OPV und untersuchen sie das Verhalten der Schaltung.
Versuchen Sie sich das Verhalten anhand des Signalflussgraphen zu erklären.
4 Addierer
Versuchen Sie einen Addierer mit zwei oder mehr Eingängen aufzubauen. Wählen Sie dazu
geeignete Widerstandswerte. Funktioniert die Schaltung?