Der diskrete Operationsverstärker (Übung 6)

In dieser Übung soll ein einfacher diskreter Operationsverstärker gebaut und untersucht werden. Die Grundschaltung besteht aus zwei NPN Bipolartransistoren und einem PNP Bipolartransistor und wurde bereits in der Vorlesung gezeigt.

Aufgabe 1. Welche Bestandteile werden für einen Operationsverstärker (minimal) benötigt?

Die OpAmp3 Schaltung

Aufgabe 2. Baue die obige Schaltung in CircuitJS. Füge an den beiden Eingängen und dem Ausgang (wie gezeigt) ein Voltmeter ein.

JCAwIDAuMDAwMDA1IDEwLjIwMDI3NzMwODI2OTk3IDUwIDUgNTAgNWUtMTEKdyAzMjAgMTkyIDM1MiAxOTIgMAp0IDM1MiAxOTIgNDY0IDE5MiAyIDEgLTE0Ljg5OTk5OTkzNzg1NjM4MiAtMi4wMTMwMzcyODcyMDQzODMgMjAwIHNwaWNlLWRlZmF1bHQKdCA2MDggMTkyIDU2MCAxOTIgMiAxIC0wLjk5NzU0MDIxMTEzMjYyMDEgMC44MzE2NzM5NzEzNTMyMzI4IDIwMCBzcGljZS1kZWZhdWx0CnIgNTEyIDI0MCA1MTIgMzIwIDAgMTIwMAp3IDQ2NCAyMDggNDY0IDI0MCAwCncgNDY0IDI0MCA1MTIgMjQwIDAKdyA1MTIgMjQwIDU2MCAyNDAgMAp3IDU2MCAyNDAgNTYwIDIwOCAwClIgNTEyIDMyMCA1MTIgMzY4IDAgMCA0MCAtMTIgMCAwIDAuNQpyIDQ2NCAxNDQgNDY0IDQ4IDAgMTIwMApyIDU2MCAxNDQgNTYwIDQ4IDAgMTIwMAp3IDQ2NCAxNDQgNDY0IDE3NiAwCncgNTYwIDE0NCA1NjAgMTc2IDAKdyA0NjQgNDggNTYwIDQ4IDAKUiA0NjQgNDggNDY0IDE2IDAgMCA0MCAxMiAwIDAgMC41CnQgNzA0IDE0NCA3NTIgMTQ0IDIgLTEgMjMuOTk5MTgzOTA3OTA1MzggLTEuMTA2MjIxNjkyMDI2NTY1NWUtNyAyMDAgc3BpY2UtZGVmYXVsdAp3IDQ2NCAxNDQgNTc2IDE0NCAwCnIgNzUyIDEyOCA3NTIgNDggMCAxODAKdyA1NjAgNDggNzUyIDQ4IDAKciA3NTIgMzIwIDc1MiAyNDAgMCA2ODAKdyA1MTIgMzIwIDc1MiAzMjAgMAp3IDc1MiAxOTIgNzUyIDE2MCAwCnIgNTc2IDE0NCA3MDQgMTQ0IDAgMjIwMAp3IDc1MiAxOTIgNzUyIDI0MCAwCnAgODMyIDE5MiA4MzIgMzUyIDMgMCAwIDEwMDAwMDAwCncgNzUyIDE5MiA4MzIgMTkyIDAKZyA4MzIgMzUyIDgzMiAzNjggMCAwCncgNjA4IDE5MiA2MDggNDAwIDAKdyA0MTYgNDAwIDMyMCA0MDAgMAp4IDI3MCAxOTggMzE1IDIwMSA0IDI0IElOXHAKeCAyNzIgNDA3IDMwNSA0MTAgNCAyNCBJTi0KeCA4NDUgMjAyIDg5NiAyMDUgNCAyNCBPVVQKeCA0MjYgMTAxIDQ0OSAxMDQgNCAxOCBSMQp4IDUyNCAxMDMgNTQ3IDEwNiA0IDE4IFIyCnggNzEwIDkzIDczMyA5NiA0IDE4IFI1CnggNjI5IDE3MiA2NTIgMTc1IDQgMTggUjQKeCA0NzQgMjg0IDQ5NyAyODcgNCAxOCBSMwp4IDcxOCAyODUgNzQxIDI4OCA0IDE4IFI2CnggNDE2IDIzMiA0MzggMjM1IDQgMTggVDEKeCA1NzYgMjMyIDU5OCAyMzUgNCAxOCBUMgp4IDc3NiAxNDkgNzk4IDE1MiA0IDE4IFQzCnAgMzUyIDE5MiAzNTIgMjg4IDMgMCAwIDEwMDAwMDAwCmcgMzUyIDI4OCAzNTIgMzA0IDAgMApwIDQxNiA0MDAgNDE2IDMwNCAzIDAgMCAxMDAwMDAwMApnIDQxNiAzMDQgNDE2IDI4OCAwIDAKdyA0MTYgNDAwIDYwOCA0MDAgMA==

Wir wollen die Common Mode Rejection Ratio (CMRR) dieses einfachen OpAmps untersuchen. Die CMRR gibt die Änderung der Ausgangsspannung des OpAmps an wenn ΔIN=0, aber relativ zum Bezugspunkt (Masse) IN+=IN- ≠ 0 sind. Ein idealer OpAmp lifert V_out=0 wenn ΔV_in=0 ist.

Aufgabe 3. Jetzt füge eine einstellbare DC Spannungsquelle [-10V,+10V] hinzu und verbinde sie im IN+ und IN- über jeweils einen Widerstand von 1k Ω. Beobachte die Ausgangsspannung wenn diese Spannung über den gesamten Bereich verändert wird. Wie sieht es mit dem CMRR Verhalten aus (gemäßt der Erwartung)?

Jetzt wollen wir die Leerlaufverstärkung G₀ bestimmen, d.h. die Verstärkung von ΔV_out/ΔIN ohne Rückkopplung. Die Leerlaufverstärkungen kommerzieller integrierter OpAmp liget bei? Lese und finde OpenLoop Gain in PDF.

Aufgabe 4. Jetzt verändere die einstellbare DC Spannungsquelle auf [-0.1V,+0.1V] und schließe sie nur an IN+ über jeweils einen Widerstand von 1k Ω an. IN- wird auf bezugspotenzial gelegt (Masse). Beobachte die Ausgangsspannung wenn diese Spannung über den gesamten Bereich verändert wird. Bestimme die Verstärkung G indem um V_out=0V zwei Messpunkte gewählt werden und das verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannungsänderung bestimmt wird. Ist der Dynamikbereich symmetrisch und wie groß ist er (also min/max V_out)?

Aufgabe 5. Versuche die Widerstände R5 und R6 leicht zu verändern (Trial and Error) bis die Ausgangsspannung bei ΔV_in=0 auch Null wird (< 100 mV). Messe dann obige Werte neu. Was passiert wenn man VCC von 12 auf 20V erhöht?

Aufgabe 6. Welchen Einfluss hat die Veränderung von R4? (z.B. 1.2kΩ und 3.3kΩ wählen)