Versuche mit Operationsverstärkern, Teil 2 Elektronikpraktikum SS ...

Elektronikpraktikum
SS 2012 6.Serie 14.06.2012
J. Pochodzalla, W. Lauth, A. Sanchez Lorente und M. Schoth, M. Steinen
Do. 14.06.11 13:00-16:00 Uhr
Ort: Gebäude 02-413 (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430
Versuche mit Operationsverstärkern, Teil 2
I. Ziel der Versuche.
Aufbau und Verständnis von Schaltungen mit Operationsverstärkern.
II. Vorkenntnisse.
Analyse komplexer Operationsverstärkerschaltungen (idealer OP), positive Rückkopplung bei Operationsverstärkern
(Komparator, Schmitt-Trigger), Schwingungsschaltungen (Multivibrator).
Anwendungsbeispiele mit Operationsverstärkern
In der heutigen Praktikumsserie sollen einige Anwendungen von Operationsverstärkerschaltungen
mit negativer und positiver Rückkopplung vertieft werden. Die Schaltungen werden auf der
vorbereiteten Experimentierplatine aufgebaut. Sie müssen nicht alle Schaltungen abarbeiten.
Suchen Sie sich nach Aufgabe 2 die Schaltungen heraus, die Sie interessieren.
1 Spitzenspannungsmesser (Sample and Hold)
Oft sind die Signale von Detektoren nur für einen kurzen Zeitraum vorhanden und man
interessiert sich für die maximale Höhe des Impulses. Beispiele sind der Energieverlust eines
geladenen Teilchens in einem Halbleiterzähler oder die Lichtintensität einer Photodiode bei
Bestrahlung mit einem Impulslaser. Um diese Signale z.B. mit einem Analog zu
Digitalkonverter (ADC) weiterzuverarbeiten, ist es notwendig, die maximale Impulshöhe für
einen längeren Zeitraum (Sample and Hold) konstant zu halten. In dieser Zeit kann dann der
ADC das Signal digitalisieren.
1.1 Machen Sie sich zunächst die Funktionsweise der dargestellten Schaltung klar. Welchen
Sinn hat der nachgeschaltete Spannungsfolger
1.2 Bauen Sie die Schaltung auf die vorbereitete Platine auf. Wählen Sie als Eingangssignal
einen Rechteckimpuls mit einer Frequenz von etwa 100 Hz. Dimensionieren Sie den
Widerstand R 1 und Kapazität C 1 so, dass die Zeit zum Entladen des Kondensators (τ = R*C)
groß im Vergleich zur Impulsbreite 100 us des eingespeisten Impuls ist. Beobachten Sie
gleichzeitig die Spannungen U 1 und U 2 mit dem Oszillographen. Schauen Sie sich auch die
Spannung am Ausgang des ersten Operationsverstärkers an.

1.3 Verändern Sie die Impulshöhe des Eingangsimpulses und die Zeitkonstante des RC-
Gliedes.
Hausaufgabe: Erläutern Sie ihre Beobachtungen. Sie können sich zum besseren Verständnis
auch diese und die folgenden Schaltungen mit TINA-TI (Spice) simulieren.
2 Komparator als Schwellendiskriminator
Operationsverstärker ohne Rückkopplung reagieren sehr empfindlich auf die
Spannungsdifferenz am positiven Ausgang. Dies führt dazu, dass am Ausgang des OPs
meistens entweder die positive oder die negative Betriebsspannung anliegt, je nach Polarität
der Differenzspannung. Dieser Effekt kann als Schwellendiskriminator benutzt werden, um
ein digitales Signal, nämlich einen Spannungssprung am Ausgang des OPs zu erzeugen.
2.1 Bauen Sie die links unten stehende Schaltung mit dem OP LF411 auf und geben Sie ein
gaußförmiges Signal mit einer Breite von ca. 1ms an den nicht-invertierenden Eingang. Der
Spannungsteiler am invertierenden Eingang legt die Schwellenspannung (ca. 700 mV) fest.
2.2 Triggern Sie den Oszillographen extern über den TTL-Ausgang des Impulsgenerators,
um den genauen Umschaltzeitpunkt des OPs zu erfassen. Führen Sie mehrere Messungen mit
unterschiedlicher Schwellenspannung durch, und dokumentieren Sie diese im Protokollheft.
2.3 Messen Sie die zeitliche Verschiebung des Umschaltpunktes („Time-Walk“) und die
Breite des Ausgangssignals, wenn Sie die Eingangsspannung ab der Schwellenspannung (700
mV) bis zur einer maximalen Spannung von 5 V variieren.
U A [V] zeitl. Verschiebung [ s] t Ausgang [ s]
Hausaufgabe: Trage Sie den „Time-Walk“ des Diskriminators und die Zeitdauer des

Ausgangssignals als Funktion der Eingangsspannung auf. Erklären Sie den jeweiligen Verlauf.
Welchen Zweck könnte diese Schaltung haben
2.4 Auf schnelles Umschalten spezialisierte OPs nennt man Komparatoren. Setzen Sie dazu
den Typ TLV3501 an Stelle des OPs ein (Abb. rechts, Pins sind kompatibel). Beachten Sie,
dass Sie jetzt eine asymmetrische Versorgungsspannung benutzen müssen (5V).
Informieren Sie sich aus dem Datenblatt über die Eigenschaften des Komparators.
Wiederholen Sie die Messungen von 2.2 und 2.3
U A [V] zeitl. Verschiebung [ s] t Ausgang [ s]
Hausaufgabe: Vergleichen Sie ihre Messwerte mit TLV3501 und LF411. Erklären Sie die
Unterschiede.

Freiwillige Experimente die Sie, falls noch Zeit ist, aufbauen können.
3 Aktiver Bandpassfilter
Filterschaltungen höherer Ordnung lassen sich ohne die Verwendung von Induktivitäten mit
Operationsverstärkern realisieren. Dargestellt ist hier die Schaltung eines Bandpassfilters
1
zweiter Ordnung. Die Resonanzfrequenz ist f = 2π
RC
. Die Güte Q lässt sich durch die Wahl
von R 1 und R 2 einstellen. Es gilt:
R1
2 −
1
R2
Q = und für die Bandbreite B =
R1
2π
RC
2 −
R2
Dimensionieren Sie die Schaltung für f=159 Hz und Q=1 bzw. Q=0.5.
Bauen Sie die Schaltung auf, und messen Sie die Resonanzkurve im Bereich von 0.1 Hz bis 20
kHz. Tragen Sie die Resonanzkurve im halblogarithmischen Maßstab auf.
Hausaufgabe : Bestimmen Sie die Bandbreite und die Resonanzfrequenz für beide Güten.
Vergleichen Sie das Ergebnis mit den Berechnungen.
4 Multivibrator
Ein weiteres Schaltungsbeispiel ist der Multivibrator, der mit der Frequenz
1
f =
2R 1
C 1
ln(1+ 2R 2
)
R 3
schwingt. Wählen Sie z.B für die Widerstände R 1
=R 2
=R 3
=10 k Ω und C 1 =100nF. Messen
Sie die Ausgangsspannung U 2 mit dem Oszillographen, und vergleichen Sie die
Schwingungsfrequenz mit der angegebenen Gleichung. Übertragen Sie das Oszillographenbild
in ihr Protokollheft.

Hausaufgabe: Überlegen Sie sich mögliche Anwendungen dieser Schaltung.
5 Sägezahn-Rechteck-Generator
Bauen Sie die Schaltung des Sägezahn-Rechteckgenerators auf, und messen Sie mit dem
Oszillographen die Spannungen U 1 und U 2 . Es gilt f = .
R 2 4 R 1 C 1
Wählen Sie für die Widerstände R 1 =R 2 =10k Ω und R 3 =47kΩ und vergleichen Sie die
gemessene Frequenz mit den berechneten Werten bei C 1 =10μ F und 1μ F.
Übertragen das Oszillographenbild in ihr Protokollheft.
Hausaufgabe: Erklären Sie das Prinzip der Schaltung.
R 3