Präzisions-Op-Amp-Integrator-Labor: Biasstrom-Kompensation & Analogrechnung

Benötigte Bauteile und Materialien

• Vier 6-Volt-Batterien
• Operationsverstärker (Modell 1458, Radio Shack Katalog #276‑038)
• 10 kΩ Linear-Potentiometer (Radio Shack #271‑1715)
• Zwei 0,1 µF unpolarisierte Kondensatoren (Radio Shack #272‑135)
• Zwei 100 kΩ Widerstände
• Drei 1 MΩ Widerstände

Jeder moderne Op-Amp kann diesen Integrator betreiben, aber der LM1458 wurde hier gewählt, weil sein hoher Eingangs-Biasstrom die Effekte vergrößert, die Sie lernen werden zu kompensieren. Obwohl hohe Biasströme in Präzisionsschaltungengenerally unerwünscht sind, dienen sie hier einem didaktischen Zweck.

Querverweise

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

Lernziele

• Technik zur Begrenzung des effektiven Potentiometerbereichs demonstrieren.
• Funktionale Rolle eines Integrators in der Signalverarbeitung erklären.
• Kompensation von Op-Amp-Biasströmen veranschaulichen.

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Der Schaltplan zeigt das Potentiometer über zwei 100-kΩ-Widerstände an die Versorgungsrails angebunden. Diese Konfiguration begrenzt den Ausgangsbereich des Potentiometers, sodass eine volle Drehung nur einen bescheidenen ±0,5 V-Ausschlag relativ zur Mittelrail-Referenz ergibt.

Bei ganz linkem Schleifer beträgt die Ausgangsspannung ca. +0,5 V; bei ganz rechts ≈ –0,5 V. Ein zentrierter Schleifer gibt eine Nullvolt-Referenz.

Schließen Sie ein Voltmeter zwischen Op-Amp-Ausgang und Schaltungsmasse an. Drehen Sie den Potentiometer langsam, während Sie die Ausgangsspannung beobachten. Der Ausgang sollte sich mit einer Rate ändern, die durch die Abweichung des Schleifers von der Mitte bestimmt wird – effektiv integriert er das Eingangssignal über die Zeit.

Mit einem zweiten Messgerät können Sie gleichzeitig die Schleiferspannung (Eingang) und die Ausgangsspannung anzeigen, wodurch die Eingangs-zu-Rate-Beziehung sichtbar wird.

Das Einstellen des Potentiometers auf null Volt sollte die Änderungsrate des Ausgangs minimieren. Das Abweichen vom Nullpunkt erhöht die Rampe.

Versuchen Sie, den zweiten 0,1-µF-Kondensator parallel zum ersten zu schalten. Die Verdopplung der Kapazität in der Rückkopplungsschleife verlangsamt die Integrationsrate und verlängert die Rampe für eine gegebene Schleiferposition.

Das Hinzufügen eines vierten 1-MΩ-Widerstands parallel zum Eingangswiderstand halbiert den effektiven Eingangsstromwiderstand und beschleunigt die Integration. Diese Variationen veranschaulichen, wie Bauteilwerte die Zeitkonstante des Integrators beeinflussen.

Integratoren sind fundamentale Elemente analoger Computer. In Kombination mit Verstärkern, Summierknoten und variablen Teilern können sie fast jede lineare Differentialgleichung modellieren, sodass Ingenieure Gleichungen durch Beobachtung von Spannungspegeln lösen können.

Historisch simulierten analoge Computer komplexe Phänomene wie Fahrzeuynamik, Raketentrajektorien und Regelkreisantworten, bevor digitale Systeme aufkamen. Obwohl weitgehend abgelöst, bleiben die BestandteilsSchaltungen wertvolle Lehrmittel zur Visualisierung von Analysis-Konzepten.

Stellen Sie nun den Potentiometer so ein, dass die Ausgangsspannung so nah wie möglich an null liegt, trennen Sie dann den Eingang und kurzschließen Sie den invertierenden Eingang auf Masse wie gezeigt:

Mit exakt nullem Eingang sollte der Integratorausgang idealerweise konstant bleiben. In der Praxis werden Sie bemerken, dass der Ausgang langsam driftet, weil reale Op-Amps winzige Biasströme besitzen, die in jeden Eingang fließen.

Kurzschließen Sie den 1-MΩ-Widerstand, der den nicht-invertierenden Eingang auf Masse legt. Dieser „Kompensationswiderstand“ gleicht den Biasstrompfad an beiden Eingängen aus und hebt die Offsetspannung auf, die andernfalls integriert würde. Wenn der Widerstand überbrückt wird, beginnt der Ausgang zu driften; das Wiederanschließen stellt die Stabilität wieder her.

Nach Wiederherstellung des Kompensationswiderstands kann der Ausgang noch leicht aufgrund des Bias-Spannungsfehlers des Op-Amps driften, ein fortgeschrittenes Thema, das über dieses Labor hinausgeht.

Computersimulation (SPICE)

SPICE-Schaltplan mit Knotennummern

Netlist (kopieren Sie den folgenden Text in eine .cir-Datei):

DC integrator
vinput 1 0 dc 0.05
r1 1 2 1meg
c1 2 3 0.1u ic=0
e1 3 0 0 2 999k
.tran 1 30 uic
.plot tran v(1,0) v(3,0)
.end

Zugehörige Arbeitsblätter

• AC Negative Feedback Op-Amp Circuits Worksheet
• Linear Computational Circuitry Worksheet