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?

Der reale Operationsverstärker

Zur Wiederholung ist es wichtig die dahinter liegenden (idealen) mathematischen Modelle zu reflektieren.

1. Das ideale mathematische Modell: Es werden keine technischen Limitierungen oder irgendeine technische Implementierung angenommen. Dann gilt für den Ausgang y bei zwei Eingängen x₁ und x₂:

mit G₀ als Leerlaufverstärkung. Dieser Zusammenhang ist wenig hilfreich für die technische Nutzung und das Verständnis. Durch Spannungs- und Stromrückkopplung von Ausgang (y) zu den Eingangen (x) wird aus einem unendlich großenLeerlaufverstärkung eine definierte endliche Verstärkung des Differenzsignals amd Eingang, d.h. G ≪ G₀.

2. Der ideale Operationsverstärker mit einigen technischen Limitierungen: Endliche Leerlaufverstärkung G₁, additiver Versatz der Eingansdifferenzspannung (Offset, der verstärkt wird), und Begrenzung des größten und kleinsten Wertes der Ausgangsspannung. Und jetzt erstzen wir die Variablen x und y durch elektische Spannungen (und Ströme).

3. Der reale Operationsverstärker als Transistorschaltung mit einer Vielzahl von technischen Limitierungen und einem komplizierteren Ersatzmodell (fehlend noch die parasitären Kapazitäten die das dynmaische und Wechselspannungsverhalten beeinflussen):

Wir erhalten typischerweise diese Kennlinie:

Die OpAmp3 Schaltung

Folgend der Aufbau des minimalen Operationsverstärkers. Dieser wird nur grob genähert dem idealen Operationsverstärker entsprechen, und ist auch nicht mit integrierten OpAmp Schaltungen in der "Qualität" vergleichbar:

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

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

Wir wollen die Common Mode Rejection (CMR) dieses einfachen OpAmps untersuchen. Die CMR gibt die Änderung der Ausgangsspannung des OpAmps an wenn ΔIN=0, aber relativ zum Bezugspunkt (Masse) IN+=IN- ≠ 0 sind. Ein idealer OpAmp liefert U_a=0 wenn ΔU_e=0 ist, egal wie groß die jeweilige Eingangsspannung ist.

Aufgabe 3. Jetzt füge eine einstellbare DC Spannungsquelle [-1V,+1V] hinzu und verbinde sie mit 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 G₁ 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 im Bereich [-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)

Aufgabe 7. Jetzt soll der nichtinvertierende Verstärker untersucht werden. Dazu wird ein Gegenkopplungswiderstand vom Ausgang zum invertierenden Eingang gelegt und von dort der bekannt Widerstand zum Bezugspotenzial. Wähle zunächst für beide Widerstande den Wert 1 kΩ. Verändere die Spannung am nichtinvertierenden Eingang im Bereich [-10V,10V]. Wie verhält sich die Ausgangsspannung? Stelle eine Verstärkung von 2, 10, und 100 durch Änderung des rückkoppelden Widerstands ein (berechnet mit idealen OpAmp Modell). Messe die tatsächliche Verstärkung wieder Als Quotient der Änderung der Ausgangsspannugn zur EIngangsdifferenzspannung. Füge auch noch an den Kollektoren der Transistoren T1 und T2 Voltmeter an. Wie verhalten sich diese beiden Spannungen wenn sich die Eingangsspannung ändert?

Aufgabe 8. Jetzt soll noch die Gleichtaktunterdrückung untersucht werden. Dazu bauen wir den bekannten Differenzverstärker (mit OpAmp) auf und messen die Ausgangsspannung wieder für eine Differenzeingangsspannung von 0V aber mit unterschiedlichen Gleichanteil (also absolute Spannung der Eingänge). Die beiden Eingänge des Differenzverstärkers werden wieder zusammen an die Eingangsspannungsquelle angeschlossen. Wie verhält sich der Verstärker im Vergleich zum idealen Modell?