Slew Rate macht Sinus zum Dreieck

[Doofi (Gast)]

Hallo.
Bisher dachte ich immer, dass der OP-amp ein Tiefpass darstellt, d.h. 
hohe Frequenzen (oberhalb der Transitfrequenz) werden gedämpft.
Doch jetzt haben wir im Praktikum ein Versuch zu der Slewrate gemacht 
und ich bekomme das Ergebnis nicht in Einklang mit der 
Systemtheoretischen Betrachtung.

Hier die zitierte Aufgabenstellung:

Beschalten Sie einen OPV für eine
invertierende Verstärkung von A= -10.(A=R2/R1, R2= 10 kΩ an Imp4, R1= 1kΩ an
Imp2) Verwenden Sie ein sinusförmiges Eingangssignal mit einer Eingangsamplitude
von 2 V (Spitze-Spitze) und einer Frequenz von 1 kHz, so dass am Ausgang ein unverzerrtes
Signal von 20 V (Spitze-Spitze) entsteht. Erhöhen Sie allmählich die Frequenz.
Sobald die Grenze der slew-rate erreicht ist, bekommt das Ausgangssignal
eine dreieckige Wellenform, deren Anstieg der slew-rate entspricht. Bestimmen Sie
diese Kenngröße indem Sie die Steigung pro Zeit beim Nulldurchlauf auf dem Oszilloskop
messen. Schreiben Sie diese auf und begründen Sie in Ihrem Protokoll, was
das bedeutet und wodurch es entsteht.

Sollte der OP-Amp (LM741) ein Tiefpass darstellen, dann sollten vor 
allem hohe Frequenzen unterdrückt werden. Ein Dreiecksignal hat jedoch 
so ein Spektrum 
(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4f/Triangle-td_and_fd.png). 
Wie kann es sein, dass der OP-Amp da auf einmal Frequenzen dazuerfindet? 
Was spielt sich da in dem OP-Amp ab?

Viele Grüße

PS: Die Begründung, dass die Kapazität am Ausgang umgeladen werden muss 
und der OP einfach nicht mitkommt ist klar. Ich würde gerne wissen, wie 
man das im Frequenzbereich interpretieren kann.

[m.n. (Gast)]

Doofi schrieb:
> Hier die zitierte Aufgabenstellung:

Hast Du vielleicht noch mehr Aufgaben? Dann können wir die alle gleich 
mit lösen.

[Mike (Gast)]

Stichwort: Nichtlineare Signalverzerrung

[ArnoR (Gast)]

Doofi schrieb:
> Bisher dachte ich immer, dass der OP-amp ein Tiefpass darstellt, d.h.
> hohe Frequenzen (oberhalb der Transitfrequenz) werden gedämpft.

> Wie kann es sein, dass der OP-Amp da auf einmal Frequenzen dazuerfindet?
> Was spielt sich da in dem OP-Amp ab?

Die beiden Effekte Tiefpassverhalten und SlewRate in doch nicht 
dasselbe. Je nach Frequenz und Pegel wirkt nur jeweils einer oder beide 
Effekte in Überlagerung.

Die SlewRate-Begrenzung entsteht durch die interne Umladung eines 
Kondensators mit einem begrenztem Strom. Solange die Aussteuerung dieser 
Stufe nicht zu groß ist, reicht der Strom aus um dem Eingangssignal 
direkt zu folgen. Ist die Aussteuerung zu groß, führt der begrenzte 
Strom zu einer zeitlinearen Umladung (->Dreiecksignal).

[Possetitjel (Gast)]

Doofi schrieb:

> [...] ich bekomme das Ergebnis nicht in Einklang mit
> der Systemtheoretischen Betrachtung.
>
> [...] Wie kann es sein, dass der OP-Amp da auf einmal
> Frequenzen dazuerfindet? Was spielt sich da in dem
> OP-Amp ab?
>
> Ich würde gerne wissen, wie man das im Frequenzbereich
> interpretieren kann.

Du könntest Dich mal fragen, warum die klassische System-
theorie "Theorie linearer Systeme" heißt, und welche
Grenzen zu beachten sind, wenn diese Theorie anwendbar
sein soll.

Vielleicht ist auch der Unterschied zwischen Kleinsignal-
und Großsignalbetrieb interessant.

[Paul Baumann (Gast)]

m.n. schrieb:
> Hast Du vielleicht noch mehr Aufgaben? Dann können wir die alle gleich
> mit lösen.

Daß ich das noch erleben darf: Solche selbstlosen Menschen -ich bin
geschüttelt und gerührt.
;-)

MfG Paul

[m.n. (Gast)]

Paul Baumann schrieb:
> Daß ich das noch erleben darf: Solche selbstlosen Menschen -ich bin
> geschüttelt und gerührt.
> ;-)

Für Dich immer gerne ;-)

[Doofi (Gast)]

ArnoR schrieb:
> Die beiden Effekte Tiefpassverhalten und SlewRate in doch nicht
> dasselbe. Je nach Frequenz und Pegel wirkt nur jeweils einer oder beide
> Effekte in Überlagerung.
>
> Die SlewRate-Begrenzung entsteht durch die interne Umladung eines
> Kondensators mit einem begrenztem Strom. Solange die Aussteuerung dieser
> Stufe nicht zu groß ist, reicht der Strom aus um dem Eingangssignal
> direkt zu folgen. Ist die Aussteuerung zu groß, führt der begrenzte
> Strom zu einer zeitlinearen Umladung (->Dreiecksignal).

Also handelt es sich um ein nichtlinearer Effekt? Aber welcher 
Transistor würde denn jetzt hier das Problem sein? Gehen da die 
Transistoren aus dem Normalbereich raus?

m.n. schrieb:
> Hast Du vielleicht noch mehr Aufgaben? Dann können wir die alle gleich
> mit lösen.

Ich hätte noch mehr aber da gibt es keine Probleme mit ;)
Aber danke für das Angebot. Nur dieses Problem wurmt mich ein wenig und 
der Betreuer konnte da auch nicht viel weiter helfen.

Viele Grüße

[Noch einer (Gast)]

Beim LTspice ist genau diese Aufgabe als Demo dabei.

Die haben den 741 mit einzelnen Transistoren moduliert, man kann die 
internen Ströme und Spannungen anschauen.

[ArnoR (Gast)]

Doofi schrieb:
> Aber welcher Transistor würde denn jetzt hier das Problem sein?

Komische Schaltungen, so sieht kein OPV innen aus. T4 zieht den 
Kollektor von T2 soweit nach unten, dass der nur mit einem 
Basispotentiol ganz dicht an -Ub funktionieren könnte, die Schaltung 
also gar keinen brauchbaren Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich hätte.

Wenn man die Basis von T4 vom Kollektor von T2 abmacht und T4 als 
Konstantstromquelle schaltet, bekommt man einen funktionierenden OPV. 
Die Kapazität, die die SlewRate bestimmt wäre dann die 
Kollektor-Basis-Kapazität von T3. Die Stromquelle des Diff bestimmt den 
Umladestrom.

> Gehen da die Transistoren aus dem Normalbereich raus?

???

[Peter D. (peda)]

Die Stufe, die die Spannungsverstärkung macht, hat eine Millerkapazität.
Die Stufe davor wird von einer Konstantstromquelle gespeist. Und schon 
hat man einen astreinen Integrator -> Dreieck.