Fünf Aufgaben zum invertierenden Verstärker mit OP uA741

Ziele hinsichtlich Studentenversion 9.1

Messung des Bodediagramms (Quelle VSRC, AC Sweep-Analyse)

Messung von Zeitverläufen (Quelle VSIN, Transienten-Analyse)

Messung der (Transfer-)Kennlinie Ua = f(Ue) (Quelle VDC, DC Sweep-Anlayse)

Vergleich des Verhaltens von zwei Schaltungen auf einem Schematics-Arbeitsblatt

Ziele hinsichtlich des Schaltungsverhaltens

Invertierender Verstärker. Frequenzgang (Aufgabe 1)

Wirkung der Gegenkopplung. Transientenanalyse (Aufgabe 2)

Gegentakt-B. Transientenanalyse open loop und closed loop (Aufgaben 3 + 4)

Gegentakt-B. Transferkennlinie open loop und closed loop (Aufgabe 5)

1. Aufgabe: Frequenzganganalyse

Gegeben
ist die Grundschaltung eines invertierenden Verstärkers mit dem Operationsverstärker uA 741 (Abb. 1).

PSpice-Simulation (AC Sweep...)
Entwickeln Sie mit PSpice - Schematics eine Schaltung zur Messung des Bode-Diagramms der Ausgangsspannung ua (Amplitudengang, Phasengang) für R1=1kOhm und eine Nennverstärkung 20lg|ua/ue|=40dB !
Anm.: Nennverstärkung = Verstärkung bei tiefen Frequenzen f<<fg

Gesucht

Bode-Diagramm im Frequenzbereich von 1 mHz bis 1 MHz

3dB-Tiefpassgrenzfrequenz fg in Hz

Messwert der Verstärkung in dB im Tiefpassbereich f<<fg

Komplexer Operator Frequenzgang F =ua/ue für den Tiefpassbereich f<<fg

Abb. 1: Invertierender Verstärker

2. Aufgabe: Analyse der Zeitfunktion (Transientenanalyse)

Gegeben
Grundschaltung eines invertierenden Verstärkers mit dem Operationsverstärker uA 741 (Abb. 1). Die Eingangsspannung ue(t) ist sinusförmig. Kennwerte der Eingangsspannung: Frequenz = 10Hz und Amplitude = 0,01mV.

PSpice-Simulation (Transientenanalyse...)
Entwickeln Sie mit PSpice-Schematics eine Schaltung zur Transientenanalyse der Ausgangsspannung ua(t) für R1=1kOhm und R2=1MOhm!

Gesucht
Ausgangsspannung ua(t) über einen Zeitbereich von zwei bis drei Perioden.

Weitere Untersuchungen

Erklären Sie das Verhalten von ua(t), wenn R2 von dem für Aufgabe 1 erforderlichen Wert jeweils um eine Dekade bis 1000MOhm erhöht wird!

Warum ist die Verstärkung ohne Gegenkopplung (R2 durch Leerlauf ersetzt) nicht ohne weiters messbar?

Mit welcher Maßnahme ist die Nennverstärkung (open loop gain) dennoch direkt messbar?

3. Aufgabe: Zeitanalyse für Kettenschaltung

Gegeben
ist ein Leistungsverstärker, bestehend aus der Kettenschaltung eines gegengekoppelten Operationsverstärkers mit einer Gegentakt-B-Schaltung (komplementäres Bipolartransistor-Paar T1 = Q2N3906 und T2 = Q2N3904) gemäß Abb. 2.

PSpice-Simulation (Transientenanalyse...)
Entwickeln Sie mit PSpice - Schematics eine Schaltung zur Transientenanalyse der Ausgangsspannung ua(t) für R1=1kOhm und R2=10kOhm!

Gesucht
ist die Ausgangsspannung ua(t) über einen Zeitbereich von einer stationären Periode bei einer sinusförmigen Eingangsspannung ue(t). Kennwerte der Eingangsspannung: Frequenz 10Hz und Amplitude 0,25V.

Weitere Untersuchungen
Vergleichen Sie den Zeitverlauf der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Zeitverlauf ua(t). Erklären Sie die markanten Unterschiede in der Umgebung der Nulldurchgänge!

Abb. 2: Gegengekoppelter Operationsverstärker (invertierender Verstärker) mit Gegentakt-B-Schaltung

4. Aufgabe: Zeitanalyse für Gegenkopplung "über alles"

Gegeben
ist ein Leistungsverstärker, bestehend aus der Kettenschaltung eines Operationsverstärkers mit einer Gegentakt-B-Schaltung (komplementäres Bipolartransistor-Paar T1 = Q2N3906 und T2 = Q2N3904) gemäß Abb. 3.

PSpice-Simulation (Transientenanalyse...)
Entwickeln Sie mit PSpice-Schematics eine Schaltung zur Transientenanalyse der Ausgangsspannung ua(t) für R1=1kOhm und R2=10kOhm sowie RL=15 Ohm!

Gesucht
Antwort der Ausgangsspannung ua(t) auf eine sinusförmige Eingansspannung ue(t). Kennwerte der Eingangsspannung: Frequenz 10Hz und Amplitude 0,25V. Vergleichen Sie den Zeitverlauf der Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Zeitverlauf ua(t) über einen Zeitbereich von zwei bis drei Perioden. Erklären Sie die markanten Abweichungen in der Umgebung der Nulldurchgänge!

Wie groß ist die Leistungsverstärkung?
Anm.: Setzen Sie die in RL umgesetzte Leistung zu der von der Quelle ue aufgebrachten ins Verhältnis!

Abb. 3: Operationsverstärker mit Gegentakt-B-Schaltung. Gegenkopplung über alles.

5. Aufgabe: Analyse der Transferkennlinie Ua = f(Ue) (DC Sweep-Anlayse)

Gegeben
Invertierender Verstärker mit OP uA741 und Gegentakt-B-Endstufe nach Aufgabe 3: Open Loop und nach Aufgabe 4: Closed Loop.

PSpice-Simulation (DC Sweep)
Platzieren Sie die invertierenden Verstärker mit Gegentakt-B-Endstufe nach Aufgabe 3 (Open Loop) und nach Aufgabe 4 (Closed Loop) auf einem Schematics-Arbeitsblatt. Steuern Sie beide Schaltungen von einer Gleichsapnnungsquelle (VDC). Stellen Sie den DC-Sweep für Ue=-300mV...+300mV in 2,5mV-Intervallen ein.

Gesucht
Transfer-Kennlinien: Ausgangsspannung Ua der Open Loop- und der Closed Loop-Schaltung als Funktion der Eingangsspannung Ue. Interpretieren Sie Lage und Verlauf der Transferkennlinien! Erklären Sie die Unterschiede insbesondere im Bereich der Nulldurchgänge!

hage@fh-furtwangen.de