Aufgabensammlung

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.comOperationsverstärker AufgabenGeschrieben 2007 Manfred Dietrichhb9tyx@clustertec.comAusgabe 0.1.2Einleitung................................................................................................................................21 Aufgaben zu „Operationsverstärker Grundlagen“ .......................................................31.1 Lektion 1 Was ist eigentlich ein Operationsverstärker ? ............................................31.1.1 OpAmp wichtige Eigenschaften ........................................................................................................31.1.2 OpAmp Schaltsymbole .....................................................................................................................31.1.3 Spannungsquelle ..............................................................................................................................41.1.4 Bipolare Spannungsquelle ................................................................................................................41.1.5 Aussteuergrenze...............................................................................................................................41.2 Lektion 2 Impedanzwandler .......................................................................................51.2.1 Schema.............................................................................................................................................51.2.2 Eingangs- und Ausgangswiderstand.................................................................................................51.2.3 Leerlaufverstärkung ..........................................................................................................................51.2.4 Verstärkung ......................................................................................................................................51.2.5 Stationärer Zustand ..........................................................................................................................51.3 Lektion 3 Der nichtinvertierende Verstärker...............................................................61.3.1 Berechnung ......................................................................................................................................61.3.2 Eingangswiderstand .........................................................................................................................61.3.3 Verstärkung ......................................................................................................................................61.3.4 Spannungen und Ströme ..................................................................................................................71.3.5 Bezeichnungen .................................................................................................................................71.4 Lektion 4 Der invertierende Verstärker ......................................................................81.4.1 Berechnung ......................................................................................................................................81.4.2 Potentiale..........................................................................................................................................81.4.3 Ströme ..............................................................................................................................................91.4.4 Eingangswiderstand .......................................................................................................................101.4.5 Ausgangswiderstand ......................................................................................................................101.5 Lektion 5 Der Differenz Verstärker...........................................................................111.5.1 Berechnung 1 .................................................................................................................................111.5.2 Berechnung 2 .................................................................................................................................111.5.3 Berechnung 3 .................................................................................................................................121.5.4 Praxis..............................................................................................................................................121.5.5 Verstärkertypen ..............................................................................................................................12070712 hb9tyx@clustertec.com - 1/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.comEinleitungDiese Aufgabensammlung ist Teil des Kurses „Operationsverstärker Grundlagen“ von Manfred Dietrich.Die Nummerierung der Kapitel entspricht dem Grundkurs.Lösen Sie alle Aufgaben schriftlich. Müssen Berechnungen durchgeführt werden, so notieren Sie dieBerechnungen immer zuerst in algebraischer Form. Setzen Sie die Zahlen erst ganz am Schluss in dieFormeln ein. Als Hilfsmittel können Sie sich eine eigene Formelsammlung zusammenstellen oder Siekönnen die Formelsammlung der ILT „Formelsammlung(070410).pdf“ verwenden. Stellen Sie sicheine eigene Formelsammlung zusammen, so ist darauf zu achten, dass diese keine Zeichnungen enthält.Dies ist an der HB9-Prüfung nicht erlaubt. Unterbreiten Sie ihre Formelsammlung zur Sicherheit ihremLehrer zur Beurteilung.Viel Erfolg beim Lösen der Aufgaben wünschtManfred Dietrich, hb9tyx070712 hb9tyx@clustertec.com - 2/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1 Aufgaben zu „Operationsverstärker Grundlagen“1.1 Lektion 1Was ist eigentlich ein Operationsverstärker ?1.1.1 OpAmp wichtige EigenschaftenKomplettieren Sie untenstehende Tabelle.Eigenschaft Ideal TypischLeerlaufverstärkung unendlich grossEingangswiderstandAusgangswiderstandUntere GrenzfrequenzObere GrenzfrequenzEingangsstrom(bei unbeschaltetem OPAmp)Max. Ausgangsstrom0 Ω0 Hz0- unendlich Hzunendlich gross> 1 MΩ bei FET-Typen praktisch unendlichgrossLiegt im nA- oder sogar pA-Bereich1.1.2 OpAmp SchaltsymboleZeichnen Sie in der rechten Spalte die Schaltsymbole ein und beschriften Sie die Anschlüsse.Klassisches SchaltsymbolKlassisches Schaltsymbol mit Speisespannungs-AnschlüssenNeues Schaltsymbol nach DINDie liegende 8 (unendlich) weist auf den grossen Verstärkungsfaktorhin.070712 hb9tyx@clustertec.com - 3/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.1.3 SpannungsquelleWeshalb wird für die Speisung von Operationsverstärkern meistens eine bipolare Spannungsquelle benutzt?1.1.4 Bipolare SpannungsquelleZeichne im untenstehenden Schema die Spannungspfeile ein.Welche Spannungen werden zwischen folgenden Messpunkten gemessen:0-1:0-2:1-2:1.1.5 AussteuergrenzeUntenstehendes Schema zeigt die Ausgangsspannung eines unbeschalteten OpAmp in Abhängigkeit derPotentialdifferenz zwischen dem gemeinsamen Massebezugspunkt und dem nichtinvertierenden Eingang.Was zeigt der gelb hinterlegte Bereich ?070712 hb9tyx@clustertec.com - 4/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.2 Lektion 2Impedanzwandler1.2.1 SchemaZeichnen Sie das Schaltschema eines Impedanzwandlers.1.2.2 Eingangs- und AusgangswiderstandBei einem Impedanzwandler nach untenstehendem Schema ist der Eingangswiderstand _________ undder Ausgangswiderstand __________.1.2.3 LeerlaufverstärkungWeshalb strebt man bei Operationsverstärkern eine möglichst hohe Leerlaufverstärkung an ?In welcher Grössenordnung liegt diese Verstärkung in der Praxis ?1.2.4 VerstärkungWie gross ist die Verstärkung beim Impedanzwandler ?1.2.5 Stationärer ZustandAls wie gross kann die Spannungsdifferenz zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingangim stationären Zustand vereinfachend angenommen werden ?070712 hb9tyx@clustertec.com - 5/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.3 Lektion 3Der nichtinvertierende Verstärker1.3.1 BerechnungWelche Formel wenden Sie für die Berechnung des nicht invertierenden Verstärkers gemäss untenstehendemSchema an ?1.3.2 EingangswiderstandDer Eingangswiderstand des nichtinvertierenden Verstärkers ist ______________.1.3.3 VerstärkungBerechnen Sie die Ausgangsspannung z.R 1 = 1 kΩR 2 = 22 kΩy = -500 mV070712 hb9tyx@clustertec.com - 6/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.3.4 Spannungen und StrömeR 1 = 1 kΩR 2 = 22 kΩy = 1 Va)Wie gross ist die Spannungsdifferenz zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang imeingependelten Zustand ?b)Welche Spannung wird über R 2 gemessen ?c)Welcher Strom fliesst durch R 2 ?Lösungshilfe:1.3.5 BezeichnungenNennen Sie eine weitere Bezeichnung für den nicht invertierenden Verstärker.070712 hb9tyx@clustertec.com - 7/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.4 Lektion 4Der invertierende Verstärker1.4.1 BerechnungWelche Formel wenden Sie für die Berechnung des invertierenden Verstärkers gemäss untenstehendemSchema an ?1.4.2 PotentialeR 1 = 1 kΩR 2 = 22 kΩy = 1 Va)Welche Spannung wird zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang im stationärenZustand gemessen ?b)Auf welchem Potential liegt der invertierende Eingang im stationären Zustand ?c)Wie hoch ist der Strom, der durch R 3 fliesst ?070712 hb9tyx@clustertec.com - 8/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.4.3 StrömeR 1 = 10 kΩR 2 = 100 kΩU e = -1 Va)Wie gross wird die Ausgangsspannung U a ?b)Welche Aussage trifft zu ?1. I R1 < I R22. I R1 = I R23. I R1 = 10·I R2c)Welcher Strom fliesst durch R 1 ?d)Welcher Spannungsabfall wird zwischen über R 1 + R 2 gemessen ?070712 hb9tyx@clustertec.com - 9/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.4.4 EingangswiderstandR 1 = 50 ΩR 2 = 1 kΩWie hoch ist der Eingangswiderstand dieser Schaltung ?1.4.5 AusgangswiderstandR 1 = 50 ΩR 2 = 5 kΩR 3 = 50 ΩU e = 10 mVa)Wie hoch ist die Gesamtverstärkung dieser Schaltung ?b)Wie hoch ist der Ausgangswiderstand ?c)Welcher Strom fliesst maximal durch R 3 und für welche Leistung muss R 3 mindestens dimensioniertwerden, wenn U emax = 20 mV ist.070712 hb9tyx@clustertec.com - 10/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.5 Lektion 5Der Differenz Verstärker1.5.1 Berechnung 1a)Welche Berechnungsformel für U a wenden Sie an, wenn die Verhältnisse von R 2 zu R 1 und R 4 zu R 3gleich sind ?b)Welche Berechnungsformel für U a wenden Sie an, wenn die Verhältnisse von R 2 zu R 1 und R 4 zu R 3nicht gleich sind ?1.5.2 Berechnung 2R 1 = R 3 = 25 ΩR 2 = R 4 = 10 kΩΔUe = 5 mVa)Wie gross ist die Verstärkung dieser Schaltung ?b)Wie gross wird die Ausgangsspannung U a ?070712 hb9tyx@clustertec.com - 11/12 -

Operationsverstärker Aufgaben071125 hb9tyx@clustertec.com1.5.3 Berechnung 3R 1 = R 2 = 1 kΩR 3 = R 4 = 10 kΩx = -1 Vy = + 2 Va)Schreiben Sie die Formel für die Berechnung der Ausgangsspannung z auf.b)Berechnen Sie die Ausgangsspannung z.1.5.4 Praxisa)Welche Nachteile weist nebenstehende Schaltungin der Praxis auf ?b)Wie könnten die Nachteile aus a) schaltungstechnischumgangen werden ?1.5.5 VerstärkertypenSkizzieren Sie alle Verstärkertypen dieses Kurses auf. Schreiben Sie neben jeden Verstärkertyp die Berechnungsformelfür U a .070712 hb9tyx@clustertec.com - 12/12 -