Experiment: Auswirkungen der Slew-Rate des Komparators

Im Folgenden soll die negative Auswirkung der Anstiegsgeschwindigkeit des Komparatorsignals auf die Eigenschaften des Funktionsgenerators gezeigt werden. Dazu wird der Funktionsgenerator mit der beschriebenen Bestückung eingeschaltet und seine Frequenz möglichst hoch gestellt. Am Oszilloskop wird am einen Kanal der Dreieck-Ausgang von FNCGEN beobachtet, und am anderen Kanal das Ausgangssignal des Operationsverstärkers IC4 (LF351), der als Komparator geschaltet ist. Es wird die Zeitdauer, die IC4 zum Umschalten benötigt, gemessen (typ. 1.5 μs). Dann wird IC4 gegen einen langsamen Operationsverstärker (z.B. µA741) ausgetauscht und wieder die Umschaltzeit und die Dreieckspannung gemessen. Der langsame Komparator schaltet nun in einer Zeit von etwa 35 μs.

Man beobachtet bei Verwendung eines langsamen Operationsverstärkers für IC4 eine deutliche Veränderung der Kurvenform des Dreieckausgangs. Die Spitzen werden rund, die Kurve insgesamt sieht mehr einer Sinusschwingung als einer Dreieckschwingung ähnlich. Der Grund für dieses Verhalten liegt in der, im Vergleich zur Signalfrequenz (etwa 8 kHz), sehr langen Umschaltzeit. Da die Kurvenform des Frequenzgenerators durch das Integral der Komparatorspannung bestimmt wird, ergibt sich in der Zeit des Umschaltens (linearer Anstieg des Komparatorsignals) eine parabolische Kurve am Integrator.

Für eine einwandfreie Dreiecksfunktion des Frequenzgenerators muss also die Schaltzeit des Komparators um einiges kürzer sein (Faktor 50) als die Zeitdauer einer Periode des Ausgangssignals. Bei Verwendung des Typs LF351 als Komparator ergibt sich bei einer Betriebsspannung von +/-12V eine Umschaltzeit von ca. 1.5 μs, so dass man eine akzeptable Dreieckschwingung bis zur Maximalfrequenz von

f = 2/35.10^-6/50 = 6.4 kHz

erhält. Für höhere Frequenzen muss man schnellere Komparatoren verwenden oder eine Einbuße der Signalform in Kauf nehmen.