OPERATIONSVERSTÄRKER I (µA 741 C)
Werbung
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 Spannungsverstärkung v0 (Leerlauf) Eingangsströme In, Ip Eingangswiderstände Ausgangswiderstand Reale OP's zeigen zusätzlich: Offset- (Nullpunkts-) Fehler Uos mit Temperaturdrift I os (durch Zusatzbeschaltung kompensiert) Frequenzabhängigkeit der Verstärkung v0 Grenzfrequenz fg Bodediagramm: v0 / dB v0 = Funkt.(f) 100 idealer OP µA 741C 0 0 100 dB 80 nA 2 M < 75 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 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 linearen Schaltungen: Gegenkopplung (Ausgang auf invertierenden Eingang) zB. Verstärker, Summierer, Differenzierer, Integrierer nichtlinearen Schaltungen: Mitkopplung (Ausgang auf nicht invertierenden Eingang) zB. Flip-Flop, Mono-Flop, Schmitt-Trigger Hochschule Bremen FB Elektrotechnik Labor für Bauelemente und Schaltkreistechnik 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: Invertierender Verstärker (Umkehrverstärker): v0 bedeutet Ud 0 I1 R1 (virtueller Nullpunkt) In = 0 Ie + I1= 0 R2 In Ie Ua R1 v= Ud Ue R2 Ue Ua Re = R2 Ra 0 Nichtinvertierender Verstärker (Elektrometer-Verstärker): R1 I1 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 -UB -15V 3 1-2 und 3-4 für inv. Verstärker 100k +y 10k U 1k R2 1-4 und 3-2 für nicht inv. Verst. 741 4 UA E -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 = 100k und R2 = 1k 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): Hochschule Bremen FB Elektrotechnik Labor für Bauelemente und Schaltkreistechnik Laborversuch Operationsverstärker / 3 uA uE Grenzfrequenz fg (und damit Bandbreite B) 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. 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 10k Meßschaltung: Wechselschalter Bauelemente: iC C iE C = 10 µF R = a) 50 k b) 100 k c) 200 k R uE uA(t) Um die Anfangsbedingung uA(t0) = 0 sicherzustellen, wird in der dargestellten Wechselschalterposition der Kondensator über den 10k -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 UH UE1 | UE 2 | 2 * UA max* R1R2R 2 UE1 / 2 UA max/ min* Hysteresespannung: mit (|Uamin| Uamax) Hochschule Bremen FB Elektrotechnik Labor für Bauelemente 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 8 Dieser OP steht nicht als Steckbaustein zur Verfügung; Montage auf Steckbrett mit IC-Sockel Achtung auf Sockelanschlußbezeichnung! 2 7 +UB 3 6 A -UB OP-Beschaltung: +/- UB = +/- 15 V, R1 = 100 k und R2 = 10 k Eingangsspannung: Dreieck-Spannung mit uE = 4 Vss, f = 1 kHz Mit diesen Einstellungen sind: 4 5 748 uE (t) und uA (t) am Oszilloskop darzustellen und 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 R =100k 741 uD R1 =100k nicht-inv.Schmitt-Trigger Die Funktion der Schaltung ist zu diskutieren und die sich einstellende Frequenz mit dem theoretisch erwarteten Wert zu vergleichen: Integrator f 1 * R1 4 * RC R2 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 = 50) Meßsignal, 1kHz Millivoltmeter (Ri = 10M) Wechselspannungen Multimeter (Ri > 1M) Gleichspannungen Kompensationsschreiber X-Y bzw. Y-t Betrieb Oszilloskop (Zi = 1M bzw. mit Tastkopf 10:1 10 M) Zusatzsteckbrett mit mehreren IC-Sockeln incl. der beiden IC’s µA741 und µA748
