P6 - TU Clausthal

Praktikum Elektronik I
6. Übung: Operationsverstärker
Prof. G. Kemnitz, TU Clausthal, Institut für Informatik
22. April 2016
Operationsverstärker sind integrierte Schaltkreise. Wir verwenden in der Übung
den Schaltkreis TLC272 mit 2 Operationsverstärkern in einem DIL8-Gehäuse:
1IN +
1OUT
1IN –
1IN +
GND
1
8
2
7
3
6
4
5
VDD
2OUT
2IN –
2IN +
(3)
(2)
1IN –
2OUT
VDD
(8)
+
(1)
1OUT
–
+
(7)
–
(5)
(6)
2IN +
2IN –
(4)
GND
Intern besteht ein Operationverstärker aus vielen Bauteilen, hier hauptsächlich
MOS-Transistoren, die auf einem kleinen Siliziumblättchen angeordnet sind:
VDD
P3
P4
R6
R1
N5
R2
IN –
P5
P1
P6
P2
IN +
R5
C1
OUT
N3
N1
R3
N2
D1
N4
R4
D2
GND
1
N6
R7
N7
G. Kemnitz: Praktikum Elektronik I. Operationsverstärker (PE-A6)
2
60
73
Aufgabe 6.1:
Hausaufgabe
Berechnen Sie für die beiden nachfolgenden Operationsverstärkerschaltungen den
Zusammenhang zwischen den Eingangsspannungen Ue1 und Ue2 und der Ausgangsspannung Ua :
47 kΩ
Ue1
Ua
Ue2
180 kΩ
47 kΩ
Ue1
Ue2
Ua
180 kΩ
Unterstellen Sie für die Rechnung "idealer Operationsverstärker": Verstärkung unendlich, Eingangswiderstand unendlich etc..
Aufgabe 6.2
Bauteile:
Widerstand 47 kΩ, 180 kΩ, Operationsverstärker TLC272
Bauen Sie die erste Schaltung der Voraufgabe in folgender Weise auf:
G. Kemnitz: Praktikum Elektronik I. Operationsverstärker (PE-A6)
3
VP+ (5 V, 20 mA)
Vref1, Vmtr1
AWG1, DC1
(3)
(8)
(1)
Ue1
(2)
Ua
(4)
Vref2, Vmtr2
AWG2, DC2
47 kΩ
Ue2
R1
Vmtr3
DC3
zu nutzende Anschlüsse
des Electronics Explorers
für Einzelmessung
mit AWG und Oszi
180 kΩ
R2
VP- (−5 V, 20 mA)
Bestimmen Sie für zwei Werte von Ue1 ∈ {2,5 V, 3,5 V} die Übertragungsfunktion
Ua = f (Ue2 ) im Bereich 0 < Ue2 < 5 V. In welchem Bereich der Differenzeingangsspannung UDiff = Ue2 − Ue1 verhält sich die Ausgangsspannung Ua proportional zur
Differenzeingangsspannung?
Aufgabe 6.3
Bauteile:
Widerstand 47 kΩ, 180 kΩ, Operationsverstärker TLC272
Vertauschen Sie im Versuchsaufbau der letzen Aufgabe die Anschlüsse 2 und 3 des
Operationsverstärkers:
VP+ (5 V, 20 mA)
Vref1, Vmtr1
AWG1, DC1
(2)
(8)
(1)
Ue1
(3)
(4)
Vref2, Vmtr2
AWG2, DC2
47 kΩ
Ue2
R1
180 kΩ
R2
VP- (−5 V, 20 mA)
Ua
Vmtr3
DC3
zu nutzende Anschlüsse
des Electronics Explorers
für Einzelmessung
mit AWG und Oszi
Wiederholen Sie Messungen einmal mit ansteigenden Werten von Ue2 und mit abfallenden Werten1 (Achtung Hysterese). Stellen Sie auch hier die Ergebnisse mit
Matlab graphisch dar.
Wie groÿ ist die Hysterese des Schwellwertschalters?
Aufgabe 6.4
Berechnen Sie für den Schwellwertschalter aus der Aufgabe zuvor den Wert für
Ue2 und R1 so, dass Ua bei einer Eingangsspannung Ue1 ≥ 3 V ausschaltet und
bei einer Eingangsspannung Ue1 ≤ 2 V einschaltet. Kontrollieren Sie das Ergebnis
experimentell.
1 Bei
der Bestimmung der Übertragungsfunktion mit Hilfe des Signalgenerators müssen Sie im
Signalgenerator ein Dreiecksignal, das in der ersten Hälfte des Messintervalle linear ansteigt und
in der zweiten Hälfte linear abfällt, einprogrammieren.
4
G. Kemnitz: Praktikum Elektronik I. Operationsverstärker (PE-A6)
Aufgabe 6.5
2 Widerstände 1 kΩ, 3 Widerstände 10 kΩ, Operationsverstärker TLC272,
2 rote Leuchtdioden
Bauteile:
Bauen Sie den nachfolgenden einfachen Analog-Digital-Wandler auf und bestimmen Sie rechnerisch und messtechnisch für die möglichen digitalen Ausgaben die
zugehörigen Spannungsbereiche der Eingangsspannung Ue :
VP+ (5 V, 20 mA)
TLC272
10 kΩ
(3)
Vref1, Vmtr1
(8)
(1)
1 kΩ
(2)
Ue
D1
10 kΩ
(5)
(7)
1 kΩ
(6)
(4)
10 kΩ
D2
Leuchtdiode D1
aus
an
aus
an
Leuchtdiode D2
aus
aus
an
an
Bereich Ue
Hinweis: Überlegen Sie vorher, welche Variationen der Ausgabe auftreten können.
Abnahmekriterien
Aufgabe 6.1:
Zwei Rechnungen plus Skizzen der Übertragungsfunktionen.
Daten und m-Skripte zur Darstellung der Übertragungsfunktionen mit Matlab.
Aufgabe 6.2 und 6.3:
Aufgabe 6.4:
Plausible messtechnisch überprüfte Werte für Ue2 und R1 .
Aufgabe 6.5:
Ausgefüllte Tabelle.
Die Teilnehmer sagen, welche Aufgaben sie gelöst haben. Der Hilfswissenschaftler
führt Stichprobenkontrollen zu den als fertig gemeldeten Aufgaben durch.