Hallo, könntet ihr erfahrenen Analogentwickler euch mein Modell eines Differenzverstärkers bitte mal ansehen? Schaut mal, ob das so OK ist oder ob man das viel besser machen kannn ;-) Funktionsbeschreibung: Aus der Kennlinie (Vsensor, reine Gleichspannung) eines Sensors soll der Bereich 1,42V-2,49V "herausgegriffen" und in ein Ausgangssignal von 0V-1,1V verstärkt bzw. gewandelt werden. Zur besseren Übersichtlichkeit des gesamten Signalbereichs habe ich Vsensor innerhalb der Spannungsgrenzen gepulst. Randbedingungen sind: - die Schaltung soll mit 3V betrieben werden (Vbatt) - der OPV sollte stromsparend sein, single supply und linear verstärken. Es muß nicht der LT1078A sein, aber im Moment bin ich noch auf der Suche nach weiteren Modellen - Der Ausgang des OPV soll auf den AD-Port eines Atmel AVR zur Auswertung gehen. Meine Fragen sind: - kann man das so machen oder gibt es bessere Schaltungen? - wie kommt man trotz single supply mit dem Ausgangssignal möglichst nah an 0V? - muß man am Ausgang des OPV noch ein Modell bzw. eine Ersatzschaltung des AD-Eingangs anhängen? Wie würde das aussehen? Bin mal gespannt, was ihr sagt.
>- kann man das so machen oder gibt es bessere Schaltungen? Schaltung ist imho ok - bis auf die Tatsache, dass die Größe der Versorgungsspannung deutlich in das Ergebnis eingeht. Hier wäre statt des Teilers eine Referenzquelle mit Serienwiderstand angebracht. Auch ist die Arbeit an der Railgrenze unschön, sowohl beim Eingang als auch beim Ausgang - dort kann die Linearität nicht mehr gewährleistet werden. Falls das auf einen AD soll: eventuell 100mV wegbleiben von GND und dies dann digital korrigieren. Die Dimensionierung gefällt mir aber nicht sehr: - Das Sensorsignal wird überflüssigerweise auf 1/5 geteilt. Damit verlierst du Auflösung. Simuliere mal mit: R1 = 215k R2 = 190k R3 = R4 = R5+R6 = 100k Wenn du die Verstärkung noch ein wenig anpassen musst: verändere R4 und R5+R6 in gleicher Weise. Da wäre auch der Stromverbrauch noch etwas geringer. >- wie kommt man trotz single supply mit dem Ausgangssignal möglichst nah >an 0V? Manchmal hilft ein Lastwiderstand gegen GND - der kostet aber auch Strom. Und exakt die Null wird trotzdem nicht zu erreichen sein. >- muß man am Ausgang des OPV noch ein Modell bzw. eine Ersatzschaltung >des AD-Eingangs anhängen? Wie würde das aussehen? Nein. Normalerweise sollte der Eingang hochohmig genug sein, das das keine Rolle spielt. Einzig ein höhere kapazitive Belastung könnte eine Schwingneigung hervorrufen. Im Design einfach einen kleinen Serienwiderstand vorsehen (so 10...30 Ohm). Der kann immer noch zu Null gesetzt werden. Da dein Signal 'reine Gleichspannung' ist (naja), wäre auch eine Bandbegrenzung (C parallel zu den Gegenkoppelwiderständen) hilfreich - es reduziert Wechselspannungsstörungen.
Hallo HildeK,
danke für das review! Ich habe Deine Dimensionierung übernommen, anbei
das überarbeitete Modell.
Zunächst ging es mir erstmal darum, zu klären, ob man die Schaltung
grundsätzlich so machen kann. Klar, sich an der Railgrenze zu befinden,
ist nicht schön, ebenso, daß die Kompromisse mit denen man leben muß
immer mindestens umgekehrt prportional zum Aufwand stehen, den man in
der Schaltung treiben möchte. Da ich es bewußt einfach haben möchte, muß
ich wohl einige Kompromisse eingehen. Allerdings würde es mich schon
etwas schmerzen, wenn ich mit dem Verstärker nicht näher als 100mV an
die Null käme ;-)
Gewisse Unzulänglichkeiten der HW kann ich schon in der SW ausgleichen,
was aber u.U. mit ätzendem Ressourcenaufwand verbunden ist und einen
kleinen 2KB Controller schnell an seine Grenzen bringt. Ein ganz offener
Punkt ist z.B. die absolute Genauigkeit des Sensors von +/-1,5%. Da wird
mir nichts anderes als eine SW-Kalibrierung übrigbleiben.
Hier noch ein paar weitere Infos:
Der Sensor hat laut Datenblatt einen Innenwiderstand von typ=6,4k
(min=4,5k und max=8,2k). Bisher hatte ich den Innenwiderstand in R3
berücksichtigt. Nun ist er separat als Risensor ausgeführt. Paralell zu
R3 habe ich C1 eingefügt, um etwaige HF-Einkopplungen wegzublocken
(falls mal einer mit dem Händi zunahe kommt).
>...bis auf die Tatsache, dass die Größe der Versorgungsspannung deutlich in das
Ergebnis eingeht.
Ja hast recht, die Art und Stabilität der Spannungsversorgung ist noch
ein offener Punkt. Vielleicht wird das aber nicht so heiß gegessen wie
gekocht, denn der Sensor wird mit Vbatt versorgt und seine
Ausgangspannung ist laut Datenblatt "ratiometrisch".
Die Übertragungsfunktion sieht prinzipiell so aus: Vsensor = Meßgröße *
const * Vbatt/Vnorm. Bleibt die Meßgröße konstant, schwankt Vsensor im
Verhältnis zu Vbatt.
Nun gehe ich davon aus, daß bei einer Schwankung von Vbatt die Eingänge
des OPV sich im gleichen Verhältnis verändern würden, weil Vbatt in die
Ausgangsspannung des Sensor und in die des Spannungsteilers R1/R2
eingeht. Zu klären wäre nun noch, ob die Spannungsdifferenz an den
OP-Eingängen unabhängig von Vbatt bleibt, wenn ja, wäre ich aus dem
Schneider was die Qualität der Spannungsversorgung angeht.
Wie siehst Du das? Kann ich davon ausgehen, oder mache ich da einen
Denkfehler?
Würde es helfen, wenn man die Abhängigkeit Vsensor(Vbatt) mit einer
spannungsgesteuerten Spannungsquelle "e" in LT Spice simuliert? Wie
ginge das?
>Allerdings würde es mich schon >etwas schmerzen, wenn ich mit dem Verstärker nicht näher als 100mV an >die Null käme ;-) Die 100mV wirst du mit dem OPA vermutlich schon unterschreiten können. Die Simulation zeigt es ja auch. Wie nahe du aber unter allen Betriebsbedingung (Temperatur) kommst, kann ich auch sagen. Das ist ja auch simulierbar. >Vsensor = Meßgröße const Vbatt/Vnorm. Wenn auch Vnorm = const ist, dann sollte es gehen. Ich überblicke das aber gerade auch nicht. Auf jeden Fall ist die Spannung am Teiler aus R1 und R2 ja ähnlich aufgebaut: UBatt * R2/(R1+R2), also UBatt * const - das sollte also gehen. >Zu klären wäre nun noch, ob die Spannungsdifferenz an den >OP-Eingängen unabhängig von Vbatt bleibt Wie meinst du das - geht das in Richtung Gleichtaktunterdrückung? Da ist der OPA bei den niederen Frequenzen eigentlich unschlagbar. >Würde es helfen, wenn man die Abhängigkeit Vsensor(Vbatt) mit einer >spannungsgesteuerten Spannungsquelle "e" in LT Spice simuliert? Hilft bestimmt :-). >Wie ginge das? Ich habe es auch noch nie benutzt. Aber es gibt die Möglichkeit, mit der rechten Maus E zu öffnen und in die Zeile Value einen Faktor oder auch einen Parameter einzugeben. Eventuell auch einen Wert, der von der Batteriespannung abhängt. Du könntest aber auch einen Parameter in die Sensorquelle direkt beim Offset eingeben und den von der Batteriespannung abhängig machen bzw. beide, Batterie und Sensoroffset über eine Parameterzuweisung verändern. Da ist ein bisschen probieren gefragt - oder recherchieren im Internet. Vielleicht hat auch noch ein anderer Mitleser damit schon gearbeitet. Leider sind die Tutorials und Hilfen, die ich kenne, bei den schwierigen Fällen etwas schweigsam ...
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