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La07-ww1

Operationsverstärker mit einfacher Spannungsversorgung

(Single-Supply)

1 Aufgabenstellung

· Dimensionierung einer Schaltung für Single-Supply

· Messung der Offsetspannung, der Arbeitspunkte, der realen Verstärkung und des Bodediagramms.

· Messung der Betriebsspannungsrückwirkung auf den Ausgang (PSR) sowie Setzen von Maßnahmen zur Verbesserung des Verhaltens.

2 Dimensionierung der Schaltung

Folgende Schaltung war vorgegeben, die berechneten Werte wurden bereits eingetragen:

Die Operationsverstärker wurden mit UB = 15V bzw. Masse versorgt, den eigentlichen Bezugspunkt stellt jedoch UB/2 dar, welches durch RT1/RT2 erzeugt wird.

Bei den beiden Stufen handelt es sich um eine nicht invertierende und eine invertierende Schaltung, die jedoch statt mit [UB+, Masse, UB-] mit [UB, UB/2, Masse] versorgt werden.

3 Messungen

3.1 Allgemeines

Die Schaltung wurde auf einer Lötleiste aufgebaut, die Betriebsspannung wurde mithilfe des Multimeters P2 auf den gewünschten Wert von 15V eingestellt (da dies bereits die max. Ausgangsspannung des Netzgeräts war, wurden zwei Ausgänge mit je etwa 7,5V in Serie geschaltet, um eine eventuelle Brummspannung zu reduzieren, die jedoch praktisch nicht auftrat).

Als Betriebsspannungsabblockung wurden die zwei auf der Lötleiste bereits aufgebauten Kondensatoren verwendet (je 330nF), eventuell hätte man jeweils einen Kondensator parallel zu RT1 bzw. RT2 schalten können (UB/2 auch gesichert), anstatt beide in Serie von UB nach Masse.

Cout wurde nicht verwendet (keine Last).

3.2 Offsetspannung, Arbeitspunkte

Es wurde das Potential an den folgenden Punkten gemessen (vergl. Schaltung), wobei kein Eingangssignal ue angelegt wurde (auch Masse möglich, wegen C1 egal):

Punkt

Spannung [V]

Bemerkung

A

7,80

UB-Teiler

A1

7,785

 

A2

7,80

 

B

7,79

AP erste Stufe » UB/2

B1

7,80

 

B2

7,78

 

C

8,575

AP zweite Stufe » UB/2

Die Offsetspannungen könnte man durch Subtraktion von A1/A2 bzw. B1/B2 ermitteln (nicht exakt wegen Anzeigegenauigkeit), eine direkte Messung zwischen Pin 3 und 2 ergab:

Ued1 = 0,5 mV

Ued2 = 0,1 mV

 wobei hier auch ua/AD0 mit einfließt (bei 10V und 100dB immerhin 0,1mV) ® nicht exakt.

Wichtiger ist jedoch, dass B und C etwa auf UB/2 liegen (da praktisch kein Strom fließt, fällt auf keinem Widerstand eine Spannung ab und das Potential des UB-Teilers RT1/RT2 liegt überall an).

3.3 Verstärkung und Bodediagramm

Zur Messung des Bodediagramms wurde als Eingangsspannung ue ein Sinussignal mit Uess = 6 mVpp angelegt und die Spannung am Ausgang von N1 (ua1) bzw. N2 (ua) gemessen.

Zuerst wurde für Cin = 1mF eingebaut, das Ausgangssignal zeigte jedoch ein starkes Schwingen (Signal x-mal vertikal auf Oszilloskop verschoben), mit Cin = 220nF verschwand es fast vollständig. Möglicherweise entstand dies, da kein DC-Offset eingestellt war und sich der Kondensator ständig umgeladen hat. Eine Änderung von RT1/RT2 auf 470 W brachte keine Abhilfe. Wegen des geringen Schwingens war bei Frequenzen über 100kHz eine Ablesung nur mehr schwer möglich.

Die Verstärkung A1 (erste Stufe) sollte bei 19 liegen, A2 bei 68 (lt. Widerstände) bzw. 70 (Vorgabe), Ages bei 1330.

Der letzte Punkt der Ages bzw. A2-Messreihe (bei 100kHz) sollte eigentlich weiter unten liegen, damit die Kurve mit -20dB fällt, möglicherweise ist hier ein Messfehler schuld  mit 400mV statt 800mV ergibt sich nämlich eine solche Gerade.

3.4 Betriebsspannungsrückwirkung PSR

Für diese Messung wurde das Eingangssignal kurzgeschlossen (um Einflüsse auszu-schalten); in Serie zu der Betriebsspannung wurde ein Wechselstromtrafo (50Hz, 1Vpp) geschaltet, um einen Versorgungsbrumm zu simulieren, danach wurde die Ausgangsspannung gemessen.

Zur Verringerung der Wirkung auf den Ausgang wurden verschiedene Kondensatoren bzw. eine Zenerdiode (UZ unter UB/2) parallel zu RT2 geschaltet.

Bauelement

Uass [V]

PSR

PSRR [dB]

Bemerkung

C2 = 1mF

12

12V/1V

1,1

OPV in Sättigung

C2 = 4700mF

1,4

1,4V/1V

0,1

 

V1 = BZV-7V5

12

12V/1V

1,1

OPV in Sättigung

4 Interpretation der Messergebnisse

Der wesentliche Vorteil der Single-Supply Methode liegt darin, dass nur eine Spannungsquelle zur Versorgung der Operationsverstärker notwendig ist.

Als neue Bezugsspannung dient UB/2, welche fast überall anliegt und den Arbeitspunkt bestimmt; nur der Ausgang von N2 entfernt sich etwa 0,7V nach oben. Dies kann an der größeren Verstärkung oder an einem Spannungsabfall auf R3 liegen (bei R3=1,5MW und IB=40nA erhält man allerdings nur 60mV).

Die Eingangsdifferenzspannung ist fast Null, da durch die Widerstände IB kompensiert wird, ein Einfluss entsteht wahrscheinlich nur durch ua/AD0.

Die Verstärkung der ersten Stufe ist etwas kleiner als berechnet, die der zweiten etwas größer, sodass Ages fast exakt stimmt. Die Abweichungen sind vermutlich durch Bauteiltoleranzen verursacht worden (A1 um +9%, A2 um -8% falsch; Kohleschicht-R hat ±10%) · genaue Bauelemente verwenden.

PSR: Die Zenerdiode zeigt keine Wirkung, weil UZ mit 7,5V zu groß war (UB/2 ebenfalls 7,5V). PSR ist möglicherweise so groß, da Ages mehr als 60dB beträgt. Trotzdem erscheint dieser Wert viel zu groß, normal sollte er im mV-Bereich liegen! :-(


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Letztes Update vom 25. Jul. 1999 von Florian Rosenauer

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