Präzisions-Spannungsfolger: Op-Amp-Rückkopplung für exaktes Signal-Tracking meistern

Benötigte Bauteile und Materialien

• Operationsverstärker: Modell 1458 oder 353 (Radio Shack Katalog # 276‑038 bzw. # 900‑6298)
• Drei 6-Volt-Batterien
• 10 kΩ Linear-Potentiometer (Radio Shack Katalog # 271‑1715)

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 8: „Operationsverstärker“.

Lernziele

• Demonstration der Konfiguration eines Op-Amps als Spannungsfolger.
• Erklärung der Rolle negativer Rückkopplung für die Einheitsverstärkung.
• Systematischer Fehlersuchansatz für Op-Amp-Schaltungen.

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

In früheren Experimenten nutzten wir den Op-Amp in Offenloop-Konfiguration, die seine maximale Spannungsverstärkung liefert. Dies ist für Komparator-Anwendungen nützlich, treibt den Ausgang jedoch bei jedem nicht-nullen Differenzeingang schnell in die Sättigung. Um den Op-Amp als echten Verstärker mit vorhersagbarer Verstärkung zu nutzen, führen wir negative Rückkopplung ein.

Indem wir den Ausgang direkt mit dem invertierenden (−) Eingang verbinden, passt der Op-Amp seinen Ausgang automatisch so an, dass die Spannung am invertierenden Eingang der am nicht-invertierenden (+) Eingang entspricht. Mit dieser direkten Rückkopplung verhält sich die Schaltung als Spannungsfolger – ein Einheitsverstärker-Puffer, der die Eingangsspannung am Ausgang mit Mikrovolt-Präzision wiedergibt.

Messen Sie die Spannung am nicht-invertierenden Eingang (zwischen + Eingang und Masse) und am Ausgang (zwischen Ausgangsklemme und Masse). Beobachten Sie beim Drehen des Potentiometers, wie der Ausgang dem Eingang exakt folgt.

Für eine direktere Beurteilung legen Sie ein Voltmeter über die beiden Eingangsklemmen. Über den größten Teil des Potentiometerbereichs ist die Fehlerspannung vernachlässigbar.

Wenn das Potentiometer an einen Extremwert eingestellt wird, können Sie einen messbaren Fehler feststellen, besonders bei den Modellen 1458 oder 353. Diese Op-Amps können ihre Ausgänge nicht bis an die Versorgungsrails (+18 V und 0 V) heranführen. Typischerweise fehlen etwa 1–2 V, eine übliche Einschränkung, die Entwickler berücksichtigen müssen. Wenn Rail-to-Rail-Leistung gefordert ist, erwägen Sie einen Op-Amp wie den 3130.

Spannungsfolger sind unschätzbar, wenn das Quellsignal eine hohe Impedanz hat und keine Belastung verträgt. Obwohl die Spannungsverstärkung eins beträgt, ermöglicht die niedrige Ausgangsimpedanz des Folgers, das Signal verzerrungsfrei an schwerere Lasten anzupassen.

Sie dienen auch als praktisches Diagnosewerkzeug. Wenn ein Op-Amp in einer komplexen Schaltung als defekt verdächtigt wird, verdrahten Sie ihn als einfachen Spannungsfolger. Ein intakter Op-Amp repliziert die Eingangsspannung präzise; das Fehlschlagen deutet auf ein defektes Bauelement hin.

Computersimulation (SPICE)

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

Netlist (kopieren Sie folgenden Text in eine Datei namens voltage_follower.cir):

Voltage follower
vinput 1 0
rbogus 1 0 1meg
e1 2 0 1 2 999meg
rload 2 0 10k
.dc vinput 5 5 1
.print dc v(1,0) v(2,0) v(1,2)
.end

In diesem Modell wird der Op-Amp durch eine gesteuerte Spannungsquelle (e1) mit einer Offenloop-Verstärkung von 999 MΩ dargestellt. Der große rbogus-Widerstand (1 MΩ) und der Lastwiderstand (rload) stellen die notwendigen DC-Pfade für die SPICE-Konvergenz bereit.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Positive Feedback Op-Amp Circuits Worksheet