Hallo, ich habe ein leichtes Verständnisproblem. Schaltungen mit Operationsverstärkern mit einer Spannungsverstärkung kleiner 1 (invertiert/differentiell) habe ich bis jetzt nur selten gesehen. Die Offsetspannung sollte kleiner kleiner sein. Ab welcher Fehler wirkt bei diesen Schaltungen mehr ins Gewicht? Wäre es besser einen Spannungsteiler vor dem OP zu schalten und danach einen einfachen Impedanzwandler?
>ich habe ein leichtes Verständnisproblem
Ich auch.
Tim R. schrieb: > Wäre es besser einen > Spannungsteiler vor dem OP zu schalten und danach einen einfachen > Impedanzwandler? Was anderes ist ein invertierender Verstärker mit v < 1 nach außen eigentlich auch nicht. Ich glaube nicht an einen Unterschied mit Spannungsteiler und v=1 bzgl. Offset.
>Ich glaube nicht an einen Unterschied
Ja, Rauschen und Offset des OP wird wohl auch beim Invertierenden
Verstärker mit Betrag der Verstärkung kleiner eins NICHT abgeschwächt.
Aber die Frage ist ja zunächst, ob er denn Invertierung will/braucht
oder nicht. Und dann: Niederohmiger Spannungsteiler vergeudet Energie,
und bei einem hochohmigen Teiler hat man Nachteile wegen
Eingangsruhestrom (Drift/Stromrauschen) des OP, und Rauschspannung des
Teilers. Und dann sie Sache mit Frequenzgang (parasitäre Kapazitäten
usw.) Nicht ganz trivial, da wäre schon eine anständig formulierte Frage
angemessen gewesen.
>Ab welcher Fehler wirkt bei diesen Schaltungen mehr ins Gewicht?
Dieser Satz ist schon eine echte Zumutung. Wie wärs, wenn du deinen Text
erst mal selbst durchliest, bevor du auf "Absenden" drückst?
Tim, erzähl mal, was du überhaupt machen willst.
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Danke zunächst für die Antworten. Die Fragestellung war wirklich undeutlich und ich versuche das Problem besser zu schildern. Typisches Problem: Ein Messsignal von +-10V soll auf 0...3V skaliert werden. Dieses Signal wird benötigt für einen unipolaren AD-Wandler eines Mikrocontrollers. Lösung Nr.1: Das Messsignal wird mit einem bipolaren OPV entkoppelt und skaliert. Durch einen nachfolgenden invertierenden Addierer wird das Signal angehoben, bzw. eine Bias-Korrektur durchgeführt. Lösung Nr.2: Das Messsignal wir wie in der dargestellten Schaltung skaliert. Ua = (R2/R1)*(U(+) - U(-)) + U_REF bzw. Ua = (R2/R1)*(Signal - 0V) + U_REF _
>Typisches Problem: >Ein Messsignal von +-10V soll auf 0...3V skaliert werden. Dieses Signal >wird benötigt für einen unipolaren AD-Wandler eines Mikrocontrollers. Das kann man eventuell sogar ganz ohne OP, nur mit drei Widerständen lösen: Spannungsteiler zwischen +10V und -10V, ein Widerstand von der Quelle zum Spannungsteiler. Die Berechnung ist dann etwas schwieriger, und es geht nur wenn die Quelle nicht sehr hochohmig ist, der ADC aber schon. Aber ich denke mal, wenn man den ADC im uC verwendet, dann ist das eh keine Präzisionsmessung, weil der uC rauscht und keine sehr hohe Auflösung hat. Ein OPV, selbst ein billiger, macht dann nicht viel aus, egal wie man ihn beschaltet. Wenn es um Signale bei 100MHz und 12 Bit und mehr geht muss man etwas genauer überlegen -- die schnellen OPV sind meist keine Präzisionstypen, also viel Drift. Eine allgemeingültige Antwort weiß ich leider nicht. Ich selber tendiere zum Invertierenden OPV, mit +Eingang direkt an Masse, dann kann man alle Signale einschließlich Offset leicht addieren ohne viel zu rechnen (Invertierender Addier-Verstärker). Wobei, manchmal hat man ja gar keine negative Versorgungsspannung...
Ach ja, zum Thema gibt es hier ja sogar einen Artikel: http://www.mikrocontroller.net/articles/Spannungsteiler
Einen Spannungsteiler kann ich nicht nehmen, da der ADC unbedingt einen OP zur Ladung seiner internen Kapazität braucht. In den TI Application notes für die C2000 Serie wird dies etwas genauer erklärt. Ein weiteres Problem ist der Überspannungsschutz. Eine Überspannung würde den Mikrocontroller sofort zerstören. Dann lieber einen OPV (z.B. AD8602) der bis 5mA am Eingang über seine Klemmdioden zulässt. Mit einem ausreichend großen Vorwiderstand kann eine Überspannung zugelassen werden. Eine grundlegende Frage wurde für mich noch nicht geklärt. Wenn der Verstärkungsfaktor 0.15 ist, dann kann der Offsetfehler nie kleiner als Faktor 1 sein - oder? Bei Verstärkung >1 wird der Offset jedenfalls verstärkt. Siehe auch: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f8/Equivalent_Network_OpAmpCur.svg/330px-Equivalent_Network_OpAmpCur.svg.png Somit stelle ich mir als erstes die Frage. Welche Fehler, Störungen usw. wirken auf das Messsignal ein, wenn der Verstärkungsfaktor einer OP-Schaltung <1 ist?
Tim R. schrieb: > Wenn der Verstärkungsfaktor 0.15 ist, dann kann der Offsetfehler nie > kleiner als Faktor 1 sein - oder? Ja. Beim invertierenden Verstärker mit der Verstärkung A wird die Offsetspannung mit dem Faktor A+1 verstärkt.
>Ja. Beim invertierenden Verstärker mit der Verstärkung A wird die >Offsetspannung mit dem Faktor A+1 verstärkt. Auch das Eigenrauschen des OPamp wird mit dem Faktor A+1 verstärkt, weshalb man den Faktor A+1 gerne auch als "Noise Gain" bezeichnet. >Lösung Nr.1: > >Das Messsignal wird mit einem bipolaren OPV entkoppelt und skaliert. >Durch einen nachfolgenden invertierenden Addierer wird das Signal >angehoben, bzw. eine Bias-Korrektur durchgeführt. > >Lösung Nr.2: > >Das Messsignal wir wie in der dargestellten Schaltung skaliert. >Ua = (R2/R1)*(U(+) - U(-)) + U_REF > >bzw. > >Ua = (R2/R1)*(Signal - 0V) + U_REF Auf den ersten Blick denke ich, daß du dir zu große Sorgen machst. Die Fehler bei beiden Schaltungen dürften in der gleichen Größenordnung liegen und sich durch Wahl eines geeigneten OPamps genügend minimieren lassen. Zeige doch einfach mal zwei konkrete Schaltungen für beide Lösungswege und die können wir dann hier kurz durchrechnen.
Ich denke, was du benötigst ist eine Attenuator-Schaltung. http://www.eng.yale.edu/ee-labs/morse/compo/sloa058.pdf Kapitel 2.2 Figure 5
Tim, deine Schaltung sieht doch schon ganz gut aus. Ist die 1,5V Referenz gepuffert? Du könntest 0,1%-ige Widerstände und eventuell einen AD8616 nehmen und könntest damit wohl auf einen Abgleich verzichten. Die Offsetspannung des OPamp erscheint am Ausgang mit dem Faktor 23/20=1,15 verstärkt. Falls du die 1,5V Referenzspannung mit einem weiteren OPamp pufferst, erscheint dessen Offsetspannung unverändert am Ausgang von IC9a: Sie wird von R102 und R202 im gleichen Verhältnis heruntergeteilt, wie sie anschließend mit R101 und R201 wieder verstärkt wird. Nimmst du für beide OPamp einen AD8616 mit 500µV Offsetspannung, dann erscheint am Ausgang von IC9a eine Offsetspannung von insgesamt maximal 500µV + 1,15 * 500µV = 1,075mV. Typisch hat der AD8616 eine viel kleinere Offsetspannung von nur 80µV.
Autor: Stefan R. (stefripp) Datum: 03.09.2011 19:05 >Ich denke, was du benötigst ist eine Attenuator-Schaltung. >http://www.eng.yale.edu/ee-labs/morse/compo/sloa058.pdf >Kapitel 2.2 Figure 5 Ah -- das hatte ich vor langer, langer Zeit mal gelesen, und dann nicht wiedergefunden, als ich es mal gesucht hatte. Die Aussage "This method is not recommended, because many op amps are unstable at gains of less than unity" Seite 6 unten erschließt sich mir immer noch nicht wirklich. Ein gewöhnlicher OP, der als nichtinvertierender Verstärker mit Verstärkung 1 stabil ist, ist doch auch als invertierender Verstärker mit Verstärkung vom Betrag kleiner eins stabil -- denn wie Ina schrieb, der Noise Gain ist auch hier größer 1. Bezieht sich die Aussage nur auf OPs die eine Mindestverstärkung brauchen, also als nichtinvertierender Verstärker mit Verstärkung 1 nicht stabil sind?
Stefan Salewski schrieb: > Die Aussage "This method is not recommended, because many op amps are > unstable at gains of less than unity" Seite 6 unten erschließt sich mir > immer noch nicht wirklich. Mir auch nicht. Ich würde sagen, das ist einfach ein Fehler. Für die Stabilität ist letztendlich nicht die Verstärkung, sondern der Gegen- kopplungsfaktor k maßgeblich. Die Verstärkung A beim invertierenden Verstärker ist -(1/k-1) und beim nichtinvertierenden Verstärker 1/k. Ein "unit-gain-stable" Opamp ist also für k≤1 stabil, was beim inver- tierenden Verstärker einer Verstärkung von A≤0 entspricht. Ohne aktive Elemente im Gegenkopplungszweig kann niemals k>1 werden. Ein weiteres Stabilitätskriterium ist die Phasendrehung im Gegenkopp- lungszweig. Da könnte bei der Schaltung in Figure 4 der Koppelkonden- sator Cin einen negativen Einfluss haben. Bei A≥-1 (R2≤R1) kann aber die Phasendrehung unabhängig von Cin niemals negativer als -19,5° werden, was den meisten Opamps keine Schwierigkeiten bereitet.
>Mir auch nicht. Ich würde sagen, das ist einfach ein Fehler. Ja, das ist nicht richtig, genauso wie die Forderung, daß R3=R1//R2 sein soll. Da hat man offenbar übersehen, daß da noch Cin vorhanden ist. >Ein weiteres Stabilitätskriterium ist die Phasendrehung im Gegenkopp- >lungszweig. Da könnte bei der Schaltung in Figure 4 der Koppelkonden- >sator Cin einen negativen Einfluss haben. Cin nicht, aber die Eingangskapazität des OPamp vom "-" Eingang nach Masse. Die bewirkt mit der endlichen Ausgangsimpedanz des OPamp eine Phase Lag, die umso einfacher mit einem Cap parallel zu R2 kompensierbar ist, je größer die Noise Gain der Schaltung ist. Für eine Noise Gain <2, wenn also R2 beginnt kleiner als R1 zu werden, muß der Phase Lead Cap immer größer werden, bis er bei zu großen Eingangskapazitäten schließlich keine Wirkung mehr zeigt und sogar kontraproduktiv wird, weil er den Ausgang zum "-" Eingang letztlich kurzschließt. Das ist vielleicht auch der Grund für die Warnung. Der Autor hat wahrscheinlich das Ganze mit einem fliegenden Aufbau getestet, dabei eine zu große Streukapazität vom "-" Eingang des Opamp nach Masse zugelassen und bei kleinen Noise Gains Schwingneigung festgestellt. Daraus hat er vermutlich geschlossen, daß die Schaltung generell zum Abschwächen eher ungeeignet ist. Das ist aber falsch. Ich kenne unzählige Schaltungen in Mischpulten und Hifi-Vorverstärkern, die eine Signalabschwächung genau so durchführen und die stabil sind. Alle enthalten natürlich eine nützliche Phase Lead Kapazität in der Gegenkopplung.
Ina schrieb: > Ja, das ist nicht richtig, genauso wie die Forderung, daß R3=R1//R2 sein > soll. Da hat man offenbar übersehen, daß da noch Cin vorhanden ist. Hm, ein Strom fließt immer in (-) rein, der kommt ja über R2, demzufolge ist eine Kompensation über R3 schon in Ordnung. Allerdings, bei den heutigen Low-Bias-Inputs spielt das nicht immer eine Rolle.
>Hm, ein Strom fließt immer in (-) rein, der kommt ja über R2, demzufolge >ist eine Kompensation über R3 schon in Ordnung. Ja, schon klar, aber wegen der Anwesenheit von Cin müßte R3 = R2 gelten und nicht R3 = R1//R2.
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