Anwendungsbeispiele mit Operationsverstärkern

Elektronikpraktikum - SS 2014
H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen
Gebäude 02-413 (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430
Serie 5: Operationsverstärker 2
26./27.06.2014
I. Ziel der Versuche
Aufbau und Verständnis von Schaltungen mit Operationsverstärkern.
II. Vorkenntnisse
Analyse komplexer Operationsverstärkerschaltungen (idealer OP), positive Rückkopplung bei
Operationsverstärkern (Komparator, Schmitt-Trigger), Schwingungsschaltungen (Multivibrator).
Anwendungsbeispiele mit Operationsverstärkern
In der heutigen Praktikumsserie sollen einige Anwendungen von Operationsverstärkerschaltungen
mit negativer und positiver Rückkopplung vertieft werden. Die Schaltungen werden auf der
vorbereiteten Experimentierplatine aufgebaut.
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Spitzenspannungsmesser (Sample and Hold)
Oft sind die Signale von Detektoren nur für einen kurzen Zeitraum vorhanden und man
interessiert sich für die maximale Höhe des Impulses. Beispiele sind der Energieverlust eines
geladenen Teilchens in einem Halbleiterzähler oder die Lichtintensität einer Photodiode bei
Bestrahlung mit einem Impulslaser. Um diese Signale z.B. mit einem Analog zu
Digitalkonverter (ADC) weiterzuverarbeiten, ist es notwendig, die maximale Impulshöhe für
einen längeren Zeitraum (Sample and Hold) konstant zu halten. In dieser Zeit kann dann der
ADC das Signal digitalisieren.
1.1 Machen Sie sich zunächst die Funktionsweise der dargestellten Schaltung klar. Welchen
Sinn hat der nachgeschaltete Spannungsfolger?
1.2 Bauen Sie die Schaltung auf die vorbereitete Platine auf. Wählen Sie als Eingangssignal
einen Rechteckimpuls mit einer Frequenz von etwa 100 Hz und einer Breite von 100 µs.
Dimensionieren Sie den Widerstand R1 und die Kapazität C1 so, dass die Zeit zum Entladen
des Kondensators (τ = R C) groß im Vergleich zur Impulsbreite des eingespeisten
Impulses ist. Beobachten Sie gleichzeitig die Spannungen U1 und U2 mit dem
Oszillographen. Schauen Sie sich auch die Spannung am Ausgang des ersten
Operationsverstärkers an (Tastkopf).
1.3 Verändern Sie die Impulshöhe des Eingangsimpulses und die Zeitkonstante des RCGliedes.
Hausaufgabe: Erläutern Sie ihre Beobachtungen. Sie können auch zum besseren
Verständnis diese und die folgenden Schaltungen mit TINA-TI (Spice) simulieren.
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Komparator als Schwellendiskriminator
Operationsverstärker ohne Rückkopplung reagieren sehr empfindlich auf die
Spannungsdifferenz am positiven Ausgang. Dies führt dazu, dass am Ausgang des OPs
meistens entweder die positive oder die negative Betriebsspannung anliegt, je nach Polarität der
Differenzspannung. Dieser Effekt kann als Schwellendiskriminator benutzt werden, um ein
digitales Signal, nämlich einen Spannungssprung am Ausgang des OPs zu erzeugen.
2.1 Bauen Sie die links unten stehende Schaltung mit dem OP LF411 auf und geben Sie ein
gaußförmiges Signal mit einer Breite von ca. 1ms an den nicht-invertierenden Eingang.
Der Spannungsteiler am invertierenden Eingang legt die Schwellenspannung (ca. 700 mV)
fest.
2.2 Triggern Sie den Oszillographen extern über den TTL-Ausgang des Impulsgenerators, um
den genauen Umschaltzeitpunkt des OPs zu erfassen. Führen Sie mehrere Messungen mit
unterschiedlicher Schwellenspannung durch, und dokumentieren Sie diese im
Protokollheft.
2.3 Messen Sie die zeitliche Verschiebung des Umschaltpunktes („Time-Walk“) und die Breite
des Ausgangssignals, wenn Sie die Eingangsspannung ab der Schwellenspannung (700
mV) bis zur einer maximalen Spannung von 5 V variieren.
UA [V]
zeitl. Verschiebung [ s]
tAusgang [ s]
Hausaufgabe: Tragen Sie den „Time-Walk“ des Diskriminators und die Zeitdauer des
Ausgangssignals als Funktion der Eingangsspannung auf. Erklären Sie den jeweiligen
Verlauf. Welchen Zweck könnte diese Schaltung haben?
2.4 Auf schnelles Umschalten spezialisierte OPs nennt man Komparatoren. Setzen Sie dazu
den Typ TLV3501 an Stelle des OPs ein (Abb. rechts, Pins sind kompatibel).
Beachten Sie, dass Sie jetzt eine asymmetrische Versorgungsspannung benutzen
müssen (+5V, 0V).
Informieren Sie sich aus dem Datenblatt über die Eigenschaften des Komparators.
Wiederholen Sie damit die Messungen von 2.2 und 2.3. MACHT DAS SINN?
UA [V]
zeitl. Verschiebung [ s]
TAusgang [ s]
Hausaufgabe: Vergleichen Sie ihre Messwerte mit TLV3501 und LF411. Erklären Sie die
Unterschiede.
3
Aktiver Bandpassfilter
Filterschaltungen höherer Ordnung lassen sich ohne die Verwendung von Induktivitäten mit
Operationsverstärkern realisieren. Dargestellt ist hier die Schaltung eines Bandpassfilters
zweiter Ordnung. Die Resonanzfrequenz ist
f =
1
.
2π RC
Die Güte Q lässt sich durch die Wahl von R1 und R2 einstellen.Es gilt:
Q=
1
2−
R1
R2
und für die Bandbreite
R1
R2
B=
2π RC
2−
Dimensionieren Sie die Schaltung für f = 159 Hz und Q = 1 bzw. Q = 0.5. Bauen Sie die
Schaltung auf, und messen Sie die Resonanzkurve im Bereich von 0.1 Hz bis 20 kHz. Tragen
Sie die Resonanzkurve im halblogarithmischen Maßstab auf.
Hausaufgabe : Bestimmen Sie die Bandbreite und die Resonanzfrequenz für beide Güten.
Vergleichen Sie das Ergebnis mit den Berechnungen.
4
Multivibrator
Ein weiteres Schaltungsbeispiel ist der Multivibrator, der mit der Frequenz
f=
1
2 R1 C 1 ln(1+
2 R2
)
R3
schwingt. Wählen Sie z.B für die Widerstände R1=R 2=R3=10 k Ω und C1 = 100nF. Messen
Sie die Ausgangsspannung U2 mit dem Oszillographen, und vergleichen Sie die
Schwingungsfrequenz mit der angegebenen Gleichung. Übertragen Sie das Oszillographenbild
in ihr Protokollheft.
Hausaufgabe: Überlegen Sie sich mögliche Anwendungen dieser Schaltung.
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Sägezahn-Rechteck-Generator
Bauen Sie die Schaltung des Sägezahn-Rechteckgenerators auf, und messen Sie mit dem
R3
Oszillographen die Spannungen U1 und U2. Es gilt f =
.
R2 4 R1 C 1
Wählen Sie für die Widerstände R 1= R 2=10k Ω und R 3=47k Ω und vergleichen Sie die
gemessene Frequenz mit den berechneten Werten bei C 1=10 μ F und C 1=1μ F.
Übertragen das Oszillographenbild in ihr Protokollheft.
Hausaufgabe: Erklären Sie das Prinzip der Schaltung.