©Ulm University 2012, Othmar Marti
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10  Operationsverstärker

 10.1  Lernziel
 10.2  Lerninhalte
 10.3  Aufgaben
 10.4  Literatur
 10.5  Hinweise
  10.5.1  Zur Vorbereitung:
  10.5.2  Zur Versuchsdurchführung:
  10.5.3  Zur Ausarbeitung:

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

  1. Umgang mit elektronischen Meßmitteln und Meßmethoden
  2. Bodediagramm als charakteristisches Merkmal von elektronischen Schaltungen
  3. Differentiator- und Integratorschaltungen
  4. Abhängigkeit des Operationsverstärker-Frequenzganges von der äußeren Beschaltung
  5. Differenzverstärker (symmetrisch)
  6. Praktische Anwendung und Einsatzmöglichkeiten des Operationsverstärkers in Schaltungsbeispielen.

10.3  Aufgaben


PIC

Abbildung 10.1: Schaltung 1
PIC
Abbildung 10.2: Schaltung 2


PIC

Abbildung 10.3: Schaltung 3
PIC
Abbildung 10.4: Schaltung 4


PIC

Abbildung 10.5: Schaltung 5
PIC
Abbildung 10.6: Schaltung 6

  1. Konstruieren Sie das Bode-Diagramm eines
    1. Hochpasses mit R = 10kΩ, C = 0.16μF
    2. Tiefpasses mit R = 10kΩ, C = 1nF
  2. Bauen Sie auf dem Steckbrett einen invertierenden Verstärker mit Rin = 10kΩ und v = 10 (bei kleinen Frequenzen) auf.
    1. 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).
    2. 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.)
  3. 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.
  4. 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?
  5. Bauen sie einen symmetrischen Differenzverstärker mit Rückkopplungswiderstand 100kΩ und Verstärkung v = 10 auf.
    1. 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.
  6. 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:

  1. Reihen und Parallel - R-C - Glied
    Zeitkonstante, Grenzfrequenz, Bode-Diagramm (Frequenzgang, Phasengang, Betrag des Widerstandes über der Frequenz) und Konstruktion desselben mittels Grenzfrequenzen.
  2. 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).
  3. Realer Operationsverstärker
    Ersatzschaltbild, Offset-Abgleich, Frequenzgang und Phasengang
  4. 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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