Stellen Sie sich vor, dass Sie in der Firma „HHN Mechatronics & Robotics“ arbeiten, welche ein günstiges mobiles EKG – also ein Messgerät für das Elektrokardiogramm, bzw. die Herzspannungskurve – für Sportler und Bedürftige aufbauen möchte. Das Messsignal hat dabei nur wenige Millivolt und Mikroampere. Um das Signal auf dem Weg von der aufgeklebten Elektrode zur Auswerteelektronik vor elektromagnetischer Einstrahlung zu schützen, ist eine Abschirmung um die Leitung gelegt (siehe Abbildung 1, oben). Da dadurch aber ein parasitärer Kondensator aufgebaut wird, hat Ihnen ein Kollege eine aktive Schirmung vorgeschlagen. Dabei wird die Abschirmung über einen Spannungsfolger immer auf der Messspannung gehalten, welche an der Leitung anliegt (siehe Abbildung 1, unten). Der parasitäre Kondensator wird durch diesen Aufbau nie geladen, da auf seinen beiden Seiten die gleiche Spannung herrscht - es entsteht keine Verfälschung des Signals. Wichtig ist für die Anwendung, dass der Spannungsfolger schnell reagiert.

Sie sind mit der Auslegung dieses Spannungsfolgers betreut und sollen die verfügbaren Operationsverstärker $LM318$, $uA741$ und $uA776$ in der Spannungsfolger-Schaltung (vgl. Skript Seite) analysieren.

Es ist ein kurzer Bericht (Problembeschreibung, Schaltung aus Tina, Ergebnisse, Diskussion) zu erstellen; als Analysewerkzeug ist Tina TI zu verwenden.

1. Bilden Sie die oben beschriebene Schaltung für einen realistischen Operationsverstärker in Tina nach. Nutzen Sie dabei als Quelle einen Spannungsgenerator als Sprungfunktion („Unit step“) mit der Amplitude $U_A = 1,0 V$ .
2. Simulieren Sie über „Analysis“»“Transient…“ für die angegebenen Operationsverstärker den Zeitverlauf.
   Bestimmen Sie jeweils die Zeit die verstreicht bis der Ausgangswert von $0,1 V$ zum ersten mal $0,9 V$ erreicht (10% bis 90% der Amplitude, auch Anstiegszeit genannt).
3. Beschreiben Sie jeweils den Zeitverlauf. Gibt es neben der Anstiegszeit weitere Unterschiede?
4. Welchen der drei Operationsverstärker würden Sie – auf Basis der angegebenen Informationen – für das Problem wählen?

Vertiefende Informationen (nicht relevant für Hausarbeit):

• Masterarbeit zu Entwicklung und Bau eines Demonstrationsmessgeräts
• Paper on the Stability of Shield-Driver Circuits
• Detaillierte Beschreibung einer EMG/EKG Vorverstärkerschaltung

Leiten Sie für den invertierenden Verstärker die Spannungsverstärkung her. Nutzen Sie dabei das Vorgehen, welches für den nicht-invertierenden Verstärker verwendet wurde.
Berücksichtigen Sie, dass für die Differenzverstärkung $A_D$ des idealen OPV gilt: $A_D \rightarrow \infty$.
Damit ist gilt auch: $1/A_D \rightarrow 0$ , aber es gilt nicht immer ${{C}\over{U_x \cdot A_D}} \rightarrow 0$, für eine unbekannte Kontante $C$ und eine Spannung $U_x$!

• Was ist gesucht?
• Anzahl der Variablen?
• Anzahl der notwendigen Gleichungen?
• Aufstellen der bekannten Gleichungen
• Herleitung der Spannungsverstärkung
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  

1. Welcher der Verstärker (invertierender oder nicht invertierender) hat einen geringeren Eingangswiderstand? Warum?

Unten stehendAuf den folgenden Seiten finden Sie Schaltungen mit einem idealen Operationsverstärker, welche dem nicht-invertierenden Verstärker ähneln und deren Spannungsverstärkung $A_V$ zu ermitteln ist.

Annahmen

• $R_1 = R_3 = R_4 = R$
• $R_2 = 2 \cdot R$
• $U_E$ entstammt einer niederohmigen Quelle
• $U_A$ liegt an einem hochohmigen Verbraucher an

Aufgaben

1. Geben Sie für jede Schaltung die Spannungsverstärkung $A_V$ an. Eine detaillierte Rechnung wie bisher ist nicht notwendig.
2. Geben Sie für die Abbildung 7 an, wie die Spannungsverstärkung ermittelt werden kann.
3. Verallgemeinern Sie mit Begründung wie
   1. ein Kurzschluss der beiden OPV Eingänge zu berücksichtigen ist,
   2. Widerstände zu berücksichtigen sind, wenn diese
      1. mit einer Klemme („auf einer Seite“) direkt und ausschließlich an einem OPV Eingang liegen,
      2. mit je einer Klemme direkt an einem OPV Eingang liegen.
4. In welchen Schaltungen stellen die Widerstände $R_3$ und $R_4$ einen unbelasteten Spannungsteiler dar?

Um sich den Problemen zu nähern, sollten Sie versuchen die Kenntnisse aus dem invertierenden Verstärker nutzen. Es kann sich anbieten die Schaltungen über Falstad-Circuit oder Tina TI zu simulieren. Als Unterstützung sind in den ersten beiden Schaltungen Tipps unter der Abbildung zu sehen.

Wichtig: Wie immer im Studium sollten Sie versuchen die Kenntnisse aus der Aufgabe zu verallgemeinern.