Messung von Spannung und Ruheströmen an
Operationsverstärkern
Nichtinvertierender Verstärker mit einer
Verstärkung von 40dB
Inhaltsverzeichnis
Messung bzw. Abgleich der Offsetspannung am
Operationsverstärker A3 2
1. Aufgabenstellung. 2
2. Schaltung. 2
3. Messwerte
und Tabellen. 3
4. Formeln
und Berechnungsbeispiele. 4
5. Geräteverzeichnis 5
6. Anmerkung
und Diskussion. 5
Messung der Eingangsruheströme am
Operationsverstärker A3 6
1. Aufgabenstellung. 6
2. Schaltung. 7
3. Messwerte
und Tabellen. 8
4. Formeln
und Berechnungsbeispiele. 8
5. Geräteverzeichnis 9
6. Anmerkung
und Diskussion. 10
-
Messung bzw. Abgleich der Offsetspannung am Operationsverstärker A3.
Hierzu soll ein nichtinvertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 40dB
aufgebaut werden.
-
Vergleich des gemessenen Wertes mit dem Wert aus dem Datenblatt.
-
Was passiert, wenn zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des
OP und Masse ein Widerstand mit 100kΩ geschaltet wird?
Anmerkung: Mit Hilfe des Tasters am Übungsgerät kann das
Abgleichpotentiometer vom OP getrennt und somit die wahre Offsetspannung des OP
bestimmt werden. Es muss darauf geachtet werden, dass der Abgleich im weiteren
Verlauf der Übung nicht mehr verstellt wird.
Schaltung 1: Schaltung zur
Messung der Offsetspannung UOS des OP A3
R1 = 1kΩ
R2 = 100kΩ
Schaltung 2: 100kΩ am nichtinvertierenden Eingang
R1 = 1kΩ
R2 = 100kΩ
Zu Schaltung 1:
|
gemessen
|
berechnet
|
aus Datenblatt
|
|
U2
|
UOS
|
UOS
|
|
[mV]
|
[mV]
|
[mV]
|
|
16,2
|
0,160
|
1
|
Zu Schaltung 2:
|
gemessen
|
berechnet
|
|
U2
|
U1
|
I1
=-IB+
|
|
[mV]
|
[mV]
|
[nA]
|
|
-496
|
-4,91
|
-49,1
|
Ermittlung der Widerstandswerte R1 und R2:
Geforderte Verstärkung: A = 40dB
Verstärkung eines nicht invertierenden Verstärkers:
Die Wahl von R1 und R2 orientiert sich
nun nach den vorhandenen Widerstandswerten am Übungsgerät:
Mit diesen Werten ergibt sich eine Verstärkung A = 101.
Zu Schaltung 1:
Zu Schaltung 2:
Der Strom I1 entspricht dem negativen Wert des
Eingangsruhestroms IB+
(IB+= -I1)
-
Fluke 75 Multimeter
-
Messverstärker-Übungsgerät
Mit Hilfe des Abgleichpotentiometers kann man die
Ausgangsspannung des OP A3 auf Null abgleichen.
Zur Ermittlung der Offsetspannung wird die interne
Offsetspannung durch drücken des Tasters weggeschaltet und der Eingang auf
Masse gelegt. Die gemessene Spannung U2 entspricht der um den Faktor
A verstärkten Offsetspannung!
Bei Betrachtung der ermittelten Offsetspannung UOS
erkennt man, dass diese deutlich unter der Offsetspannung im Datenblatt liegt.
Das liegt daran, dass der Hersteller im Datenblatt immer die schlechtesten Werte
angibt!
Durch Wahl von R1 und R2 ergibt sich
eine Verstärkung von A = 101.
Aus Stabilitätsgründen wurde an den Eingang des Verstärkers
ein Kondensator geschaltet (um Aufschwingen zu vermeiden).
-
Messung der Eingangsruheströme am OP A3.
-
Vergleich der gemessenen Werte mit den Werten für Bias- und
Offsetstrom aus dem Datenblatt.
-
Ermitteln der Stromrichtung des Biasstroms anhand der
Messergebnisse.
Anmerkung: Die Messung basiert auf der Integration des
Biasstroms im Kondensator C = 1μF und der Messung der Ausgangsspannung des OP
nach Ablauf einer frei wählbaren Messzeit T.
Zum Start der Messung wird der Kurzschlussbügel über dem
Kondensator entfernt.
Schaltung 3: Schaltung zur
Bestimmung von IB-
Schaltung 4: Schaltung zur
Bestimmung von IB+
|
gemessen
|
berechnet
|
Datenblatt
|
|
T
|
U2,IB-
|
U2,IB+
|
IB-
|
IB+
|
IB
|
IOS
|
IB
|
IOS
|
|
[s]
|
[V]
|
[V]
|
[nA]
|
[nA]
|
[nA]
|
[nA]
|
[nA]
|
[nA]
|
|
60
|
2,89
|
-2,90
|
48,17
|
48,33
|
48,25
|
0,17
|
80
|
20
|
Die Ströme IB- und IB+ fließen
demzufolge zum Operationsverstärker (siehe Schaltung 3 und 4)!
Ausgehend von der Formel 
erhält man 
Berechnung von IB-:
Die Spannung UC beträgt vor der Messung 0V, da
ein Kurzschlussbügel über dem Kondensator liegt. Nachdem der Bügel für 60
Sekunden geöffnet war, hatte der Ausgang eine Spannung von U2 = 2,89V
erreicht. Der invertierende Eingang des OP liegt virtuell auf Masse, da auch
der nicht invertierende Eingang auf Masse liegt. Also ist die Spannung U2
gleich der Spannung UC.
Berechnung von IB+:
Hier beträgt die Ausgangsspannung nach 60 Sekunden U2 =
-2,90V. Der invertierende Eingang des OP liegt auf demselben Potential wie der nicht
invertierende Eingang, da die Differenzspannung gleich 0 ist. Also ist hier die
Spannung U2 wieder gleich der Spannung UC.
Berechnung von IB (Bias- bzw. Eingangsruhestrom):
Berechnung von IOS (Eingangsoffsetstrom):
-
Fluke 75 Multimeter
-
Messverstärker-Übungsgerät
Wenn man die Zeitmessung genauer betrachtet, erkennt man,
dass diese mit einem Fehler behaftet ist. Mit Beginn der Zeitmessung wurde die
Kurzschlussstrippe auf der Übungstafel herausgezogen. Hier ergibt sich
bezüglich der Gleichzeitigkeit eine gewisse Ungenauigkeit. Ebenso ist eine
Ungenauigkeit zwischen Ende der Zeitmessung und Ablesen des Spannungswertes
vorhanden.
Wird zu Beginn und Ende der Zeitmessung jeweils eine
Ungenauigkeit von 0,5 Sekunden angenommen (Verfälschung der Zeitmessung beträgt
also 1 Sekunde), kann man Auskunft über die relative Messunsicherheit der
verwendeten Zeitmessung geben:
Bei der Berechnung der Ströme ist besonders auf die
Vorzeichen zu achten. Da die Differenzspannung des OP gleich 0 ist, liegt an
den Kondensatoren immer die Spannung U2 an. Der Spannungspfeil wurde
demnach eingezeichnet! Auch der Strom am Kondensator wurde in diese Richtung
gezeichnet.
Die Ströme IB- und IB+ wurden immer in
Richtung OP gezeichnet. Das Vorzeichen der Ströme ergibt dann die Rechnung.
Die Werte für IB und IOS liegen wieder
deutlich unter den Werten aus dem Datenblatt.
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