Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
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1 - Invertierender gegengekoppelter Verstärker

Die Prinzipschaltung dieses Verstärkers zeigt Abb. 1.

Abbildung 1 - Prinzipschaltung eines invertierenden gegengekoppelten OPV
Abbildung 2 - Spannungsteiler am OPV

2 - Grundgleichung eines invertierenden OPV

Halten wir die Ergebnisse für einen invertierenden gegengekoppelten Verstärker fest:

  • Der Eingang E1 eines OPV liegt nahezu auf Nullpotenzial.
  • Obwohl E1 als stromlos anzusehen ist, fließt durch R1 ein Strom, der vom Generator aufgebracht wird.
  • Der Eingangswiderstand des Verstärkers ist gleich R1.
  • Da der Eingangsstrom eines OPV vernachlässigbar ist, muss der Strom durch R1 gegen diesen groß sein. R1 darf also nicht sehr hoch gewählt werden.
  • Der invertierende OPV hat einen niederohmigen Eingang.
  • Der niederohmige Eingang belastet einen Generator. Ist der Innenwiderstand Ri des Generators von der Größenordnung wie R1, so muss er in der Rechnung (s.o.) berücksichtigt werden. R1 liegt in Reihe mit Ri, deshalb muss RE durch R1 + Ri ersetzt werden.
  • Ist der Innenwiderstand des Generators hoch, so sollte zwischen Generator und Verstärker ein Impedanzwandler eingebaut werden.

3 - Linearität der Verstärkerkennlinie

Zur Aufnahme der Verstärkerkennlinie wird wieder der uA741 genommen. Die Beschaltung ist ähnlich der für den nicht-invertierenden Verstärker.

Abbildung 3 - Linearität der Verstärkungskennlinie eines gegengekoppelten invertierenden OPV

Als Versorgungsspannung werden +/- 12V aus dem Batteriepack und für die Widerstandswerte R1 = 1kOhm, R2 = 100kOhm sowie R0 = 10kOhm genommen. Die Verstärkerkennlinie wird punktweise mit dem Oszilloskop aufgenommen. Dazu wird als Energiequelle ein 9V-Batterieblock mit einem Spannungsteiler aus 10kOhm und einem Potenziometer von 1kOhm gewählt.

Aufnahme der Verstärkerkennlinie eines invertierenden Verstärkers

Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach der Schaltskizze auf.
  • Verbinde die Messspitzen des Oszilloskops Kanal A mit dem Ausgang und Kanal B mit dem Eingang des OPV.
  • Schalte die Spannungsversorgungen ein.
Versuchsdurchführung
  • Stelle das Potenziometer so ein, dass am Eingang eine Spannung von ca. 1mV oder weniger anliegt und lies im Oszillogramm die Ausgangsspannung ab. Trage UE und UA in eine Tabelle ein.
  • Verändere die Eingangsspannung UE mit dem Potenziometer in kleinen Schritten und notiere zu jedem eingestellten Spannungswert die Ausgangsspannung.
  • Übertrage zur weiteren Auswertung die Werte aus der Tabelle in eine Excel-Tabelle.
  • Erstelle mit Hilfe des Programms eine Graphik, ähnlich der unten gezeigten.

Oszillogramm für einen Messpunkt: Ue = 106,1mV liefert eine Ausgangsspannung Ua = -10,27V

Abbildung 4 - Darstellung im Oszillogramm: Ausgangsspannung (blau) und Eingangsspannung (rot)

Das Ergebnis einer Messung an einem uA741 - ohne Kompensationseinstellung - zeigt die folgende Abbildung. Der positive Spannungsteil wurde nicht mit aufgenommen, ist aber entsprechend leicht auszuführen.

Abbildung 5 - Aufnahme der Linearität einer Verstärkerkennlinie für Ue = 1,0mV ... 200mV am uA741

4 - Verstärkung eines OPV und die Versorgungsspannung

Ein uA741 arbeitet nach Datenblatt stabil im Versorgungsspannungsbereich von +/-5V bis +/-15V. Legt man drei verschiedene Versorgungsspannungen an

  • +/-6V (2x 4x1,5V Batteriehalterung), 
    
  • +/- 9V (2x9V Batterieblock) und 
    
  • +/-12V (2x 8x1,5V Batteriehalterung) 
    

und gibt über einen Funktionsgenerator an den Eingang eine tonfrequente Wechselspannung, können anschließend auf dem Oszilloskop Eingangs- und Ausgangsspannung abgelesen werden. Alle drei Messungen zeigen, dass die Verstärkung unabhängig von der Versorgungsspannung ist.

5 - Frequenzgang eines Verstärkers

Die Verstärkerschaltung aus Abb. 6 wird mit einem Funktionsgenerator angesteuert. Gewählt wird zunächst eine Sinusschwingung mit Frequenzen von ca. 500Hz, 1kHz, 100kHz, ... und anschließend eine Rechteckspannung. In den Oszillogrammen ist gut zu erkennen, dass die Verstärkung erst im oberen Frequenzbereich abnimmt; gleiches gilt auch für die Rechteckspannung.

Abbildung 6 - Messschaltung zur Aufnahme des Frequenzgangs bei einem uA741

Verschiedene Oszillogramme aus der Messreihe

Abbildung 7 - Ein- und Ausgangsspannung am uA741 bei einer Frequenz von 484,6Hz. Eingestellter Verstärkungsfaktor: 2,2

Die Phasenverschiebung in Abb. 7 zwischen Ein- und Ausgangssignal ist gut zu erkennen. Die Spannungslineale erfassen die Amplituden des Ein- und Ausgangssignals. Die Werte sind in der Lineallegende bzw. unten rechts in Abb.7 abzulesen.

  • Frequenz des Funktionsgenerators: 484,6Hz
    
  • Eingangssignal (rot): 583,5mV
    
  • Ausgangssignal (blau): 1,264V. 
    

Als Verstärkungsfaktor ergibt sich: 2,17. Voreingestellt ist am OPV ein Wert von 2,2.

Abbildung 8 - Ein- und Ausgangsspannung am uA741 bei einer Frequenz von 532,7kHz. Eingestellter Verstärkungsfaktor: 2,2

Es ist deutlich zu erkennen, dass die Phasenverschiebung zwischen Ein- und Ausgangssignal sich gegenüber dem Vorversuch verändert hat. Die Amplitudenwerte beider Signale lassen sich in der Lineallegende ablesen:

  • Frequenz des Funktionsgenerators: 532,7kHz
    
  • Eingangssignal (rot): 841,4mV
    
  • Ausgangssignal (blau): 575,1mV
    

Als Spannungsverstärkung ergibt sich ein Wert kleiner als 1.

Abbildung 9 - Ein- und Ausgangssignal bei einer Frequenz von 1,061kHz; Verstärkungsfaktor: 2,2

Bei einer Rechteckspannung sieht man sehr deutlich die Phasenverschiebung von 180° zwischen Ein- und Ausgangssignal. Die Rechteckimpulse werden selbst bei 20kHz und höher nicht verformt, obwohl sie ein sehr oberwellenreiches Spektrum besitzen. Die Amplitudenwerte beider Signale lassen sich wieder in der Lineallegende ablesen:

  • Frequenz des Funktionsgenerators: 1,061kHz
    
  • Eingangssignal (rot): 600,4mV
    
  • Ausgangssignal (blau): 1,294V
    

Als Spannungsverstärkung ergibt sich ein Wert von 2,16. Eingestellt ist ein Wert von 2,2.

6 - Invertierer oder Phasenumkehrstufe

Ist R1 identisch R2 und der Generatorinnenwiderstand gegenüber R1 vernachlässigbar, dann ist UA = - UE. Verstärker dieser Art nennt man Invertierer oder Phasenumkehrstufe.

Abbildung 10 - Invertierer oder Phasenumkehrstufe

Legt man an den Eingang das Sinus-Signal eines Funktionsgenerators, kann man die Wirkungsweise im Oszillogramm gut beobachten. Abb. 11 zeigt Ein- (rot) und Ausgangssignal (blau) eines Invertierers. Die Spannungsverstärkung ist 1 und beide Signale sind um 180° gegeneinander phasenverschoben.

Abbildung 11 - Ein- und Ausgangssignal an einem Invertierer
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