©Ulm University 2012, Othmar Marti
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Skripte]
10 Operationsverstärker
10.1 Lernziel
In der Physikalischen Meßtechnik ist die Verarbeitung vielfältiger Informationssig nale
auf elektronischem Wege von großer Bedeutung (messen, steuern, regeln, verstärken).
Unter diesem Aspekt soll vorliegender Versuch einige grundlegende Erfahrungen in
elektronischen Schaltungstechniken sowohl in theoretischer als auch in praktischer
Hinsicht vermitteln: Prinzipielle Schaltungen und deren Anwendung auf spezielle,
praxisorientierte Einsatzbeispiele von RC-Netzwerken und Operationsverstärkern
(”Operational Amplifier”).
10.2 Lerninhalte
- Umgang mit elektronischen Meßmitteln und Meßmethoden
- Bodediagramm als charakteristisches Merkmal von elektronischen
Schaltungen
- Differentiator- und Integratorschaltungen
- Abhängigkeit des Operationsverstärker-Frequenzganges von der äußeren
Beschaltung
- Differenzverstärker (symmetrisch)
- Praktische Anwendung und Einsatzmöglichkeiten des Operationsverstärkers
in Schaltungsbeispielen.
10.3 Aufgaben
- Konstruieren Sie das Bode-Diagramm eines
- Hochpasses mit R = 10kΩ, C = 0.16μF
- Tiefpasses mit R = 10kΩ, C = 1nF
- Bauen Sie auf dem Steckbrett einen invertierenden Verstärker mit Rin = 10kΩ
und v = 10 (bei kleinen Frequenzen) auf.
- Messen Sie den Frequenzgang des Verstärkungsfaktors v im Bereich
von 1 Hz bis 2 MHz. Tragen Sie den Verlauf doppellogarithmisch auf.
Konstruieren Sie im Diagramm die Lage der Grenzfrequenz.
PS:
Tragen Sie die Meßwerte jeweils nicht nur in eine Tabelle, sondern
sofort in ein Diagramm ein. (Das logarithmische Papier sollte einen
Verstärkungsbereich von mindestens 0,01 bis 100 überstreichen).
- Messen Sie die Ausgangsoffsetspannung und kompensieren Sie diese
nach Schaltung 1 (Abbildung 10.1:
(Für Interessierte: Es gibt
auch kommerzielle Operationsverstärker-Tester. Mit diesen kompakten
Geräten können mit wenig Aufwand und damit schnell außer des Offsets
auch noch andere Eigenschaften eines Operationsverstärkers gemessen
werden.)
- Messen Sie jeweils die Frequenzgänge der Beschaltungen (Schaltung 2 -Schaltung
4) und tragen Sie diese in das Diagramm von Aufgabe 1 jeweils dazu ein
(verwenden Sie Widerstände mit Toleranzen < 1% und als Kapazitäten die
vorhandenen C-Dekaden).
Geben Sie jeweils an, wie das Bode-Diagramm konstruiert werden kann.
Diskutieren Sie die drei Aufgaben (Schaltung 2 (Abbildung 10.2- Schaltung 4
(Abbildung 10.4) untereinander hinsichtlich der Änderung des Frequenzganges und
begründen Sie den Verlauf.
- Welcher Verlauf bedeutet in den Frequenzgängen von Aufgabe 3 Integration und
welcher Differentiation? Wie sind die erhaltenen Frequenzgänge auf die Integrator-
und Differentiatorschaltung anzuwenden?
Konstruieren Sie den Frequenzgang des Integrators nach Schaltung 5 (Abbildung
10.5.
In welchem Frequenzbereich integriert die Schaltung? Welche Folge hätte das
Weglassen von R?
Skizzieren Sie das erhaltene Eingangs- und Ausgangssignal bei Rechteck-, Dreieck-
und Sinusspannung von 1 kHz. Berechnen Sie auch die zu erwartende Kurvenform.
Was bedeutet Integration bei Sinusspannungen?
- Bauen sie einen symmetrischen Differenzverstärker mit Rückkopplungswiderstand
100kΩ und Verstärkung v = 10 auf.
- Messen Sie den Frequenzgang der Gleichtakt und Gegentaktverstärkung
und berechnen Sie daraus die Gegentaktunterdrückung.
Bauen Sie eine Phasenschieberbrücke nach Schaltung 6 (Abbildung
10.6) auf:
Welche Phasenverschiebung besitzt Ua gegen Ue bei 1 kHz und C =
0.16μF, wenn der Widerstand des Potentiometers auf 1kΩ eingestellt
ist?
Schalten Sie den Differenzverstärker von Aufgabe 5a) an den
Ausgang der Brücke und zeigen Sie die Phasenverschiebung auf dem
Oszillographen.
- Weitere Schaltungen nach eigener Auswahl und nach Vereinbarung, wie
zu Beispiel PID-Regler,Schmitt-Trigger, aktives Filter, Multivibrator,
Rechenschaltung, Bandfilter etc.
10.4 Literatur
-
U. Tietze, Ch. Schenk
- Halbleiter-Schaltungstechnik
-
A. Rost
- Grundlagen der Elektronik
-
- Sonderdruck Operational Amplifier - ein neuer Verstärkertyp aus ”Messen +
Prüfen”, Heft 5 (Okt. 1965) E. Geyer-Verlag
-
H. Vahldiek
- Operationsverstärker
-
E. Vogelsang
- Einführung in die Elektronik
-
F. Bergtold
- Schaltungen mit Operationsverstärkern, Band I
10.5 Hinweise
10.5.1 Zur Vorbereitung:
- Reihen und Parallel - R-C - Glied
Zeitkonstante, Grenzfrequenz, Bode-Diagramm (Frequenzgang, Phasengang,
Betrag des Widerstandes über der Frequenz) und Konstruktion desselben
mittels Grenzfrequenzen.
- Idealer Operationsverstärker: Eigenschaften
Grundschaltung als Invertierer und ihre grundsätzliche Berechnung.
Als Spezialfälle davon: Addierer, Integrator, Differenzierer, (Komparator,
Strom-Spannungswandler, Spannungs-Strom-Wandler, Gleichrichter).
Grundschaltung Differenzverstärker und ihre grundsätzliche Berechnung.
Als Spezialfälle davon: nichtinvertierender Verstärker, Impedanzwandler,
Subtrahierer, (Schmitt-Trigger).
- Realer Operationsverstärker
Ersatzschaltbild, Offset-Abgleich, Frequenzgang und Phasengang
- Verstärker allgemein
Eingangswiderstand, Ausgangswiderstand, Verstärkung, Frequenzgang,
Phasengang, Bandbreite, Drift, Rauschen, Gleichspannungsverstärker,
R-C-Verstärker.
Informieren Sie sich bei dem Versuchsbetreuer nach Literatur und Datenblättern.
Besorgen Sie sich rechtzeitig doppelt-logarithmisches Millimeterpapier vor der
Versuchsdurchführung.
10.5.2 Zur Versuchsdurchführung:
Wo kleine Signale verstärkt werden, arbeitet man mit sehr kurzen Leitungen oder mit
abgeschirmten Kabeln wegen vielfältiger elektromagnetischer Einstreuungen. Um die
Phasenlage von Eingangs- und Ausgangssignalen beim Zweikanaloszilloskop beobachten
zu können, muß die Triggerung des Oszilloskops auf einen Kanal eingestellt
werden.
10.5.3 Zur Ausarbeitung:
Neben den bei den Aufgaben gestellten Fragen sollte die Ausarbeitung weiterhin
enthalten:
komprimierten Abriß über das Bauelement Operationsverstärker allgemein
(Kenngrößen, Eigenschaften etc.)
Originalprotokolle,
Schaltkreis-Skizzen mit Beschreibung der Messung.
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