Hallo, eine kleine nooby Frage für zwischendurch: Der Verstärkungsfaktor eines nicht invertierender Verstärkers berechnet sich mit der Formel: V=1+R2/R1 jedoch verursachen R2 und R1 Thermisches Rauschen und Stromrauschen. Somit macht es ja einen Unterschied ob ich R2=100K und R1=1K oder R2=100 und R1=1 wähle, obwohl bei beiden der Verstärkungsfaktor 100 ist. Ich weiß, dass ich bei der Wahl kleinerer Widerstände den Opamp belaste doch wie sehr kann ich den Opamp belasten? Kann ich das im Datenblatt finden? Wenn ja wie heißt diese Kennziffer? Kann ich diese gegebenenfalls berechnen? Gruß Noname
Was man an Last dran hängen darf, findet man als maximalen Ausgangsstrom. Den kann man dann je nach Signal in den Erlaubten Widerstand umrechnen. Ggf. hat man noch eine etwas engere Grenze, wenn mit niedriger Last der Spannungsbereich am Ausgang kleiner wird. Schließlich bringen kleine Widerstände auch mehr Stromverbrauch, was dann ggf. auch wieder Stört. Üblich sind 2 K bzw. 600 Ohm für die Last, bei schnelleren OPs ggf. auch 100-150 Ohm (75 Ohm Kabel + 75 Ohm Widerstand zur Impedanzanpassung).
Normalerweise spielt das Rauschen der Widerstände im Verhältnis zum Eigenrauschen des OP keine große Rolle. Natürlich kann der Ausgangsstrom beim OPA nur endlich groß werden. Manchmal steht ein maximaler Ausgangsstrom drin, z.B. beim TL072 habe ich gerade gesehen, dass diese Angabe fehlt. Allerdings ist bei verschiedenen Angaben eine Lastwiderstand von entweder 10k oder 2k angegeben. Daraus kann man schließen, dass 2k Last auf jeden Fall zulässig sind. In deinem Beispiel musst du ja nicht von einem Extrem ins andere Fallen. Der größer Widerstand bestimmt in deinem Fall die minimale Last (plus das, was du am Ausgang noch entnimmst). Warum also nicht 10k und 100Ω oder 2k und 20Ω wählen? Problematisch ist bei kleinen Werten (für R1) der Fall bei SingleSupply. Da braucht man ja noch einen Kondensator in Serie auf GND und der wird eben bei einem 20Ω-Widerstand für eine niedrige untere Grenzfrequenz entsprechend groß. Da wären 20k ... 50k und 200Ω ... 500Ω bessere Werte. Ich bin mir nicht ganz sicher, aber ich vermute mal stark, dass für das resultierende Rauschen die Parallelschaltung der beiden Widerstände der eigentlich anzusetzende Wert ist, denn für Wechselstrom liegen die ja parallel und speisen damit den nicht-invertierenden Eingang.
Ulrich H. schrieb: > Was man an Last dran hängen darf, findet man als maximalen > Ausgangsstrom. Den kann man dann je nach Signal in den Erlaubten > Widerstand umrechnen. Ggf. hat man noch eine etwas engere Grenze, wenn > mit niedriger Last der Spannungsbereich am Ausgang kleiner wird. > Schließlich bringen kleine Widerstände auch mehr Stromverbrauch, was > dann ggf. auch wieder Stört. > > Üblich sind 2 K bzw. 600 Ohm für die Last, bei schnelleren OPs ggf. auch > 100-150 Ohm (75 Ohm Kabel + 75 Ohm Widerstand zur Impedanzanpassung). Danke für deine schnelle Antwort. Ich habe mir jetzt den NE5534 als Beispiel genommen, der hat laut Datenblatt ein maximalen Ausgangsstrom von +- 10 mA, wenn ich jetzt die maximale Differenzspannung, die am Opamp anliegt, kenne (sagen wir mal 0,1V) kann ich dann mit U=R*I auf die Widerstände kommen? Laut Rechnung würde das bedeuten das die Widerstände R1, R2 als Ersatzwiderstand (parallel) über >= 10 Ohm sein müsste, richtig ? Oder liege ich hier total daneben? Bei der Berechnung von Stromrauschen, Spannungsrauschen und Thermisches Rauschen bin ich nach dieser Anleitung vorgegangen: http://www.elektronikinfo.de/strom/op_rauschen.htm
HildeK schrieb: > Normalerweise spielt das Rauschen der Widerstände im Verhältnis > zum > Eigenrauschen des OP keine große Rolle. > Natürlich kann der Ausgangsstrom beim OPA nur endlich groß werden. > Manchmal steht ein maximaler Ausgangsstrom drin, z.B. beim TL072 habe > ich gerade gesehen, dass diese Angabe fehlt. Allerdings ist bei > verschiedenen Angaben eine Lastwiderstand von entweder 10k oder 2k > angegeben. Daraus kann man schließen, dass 2k Last auf jeden Fall > zulässig sind. > > In deinem Beispiel musst du ja nicht von einem Extrem ins andere Fallen. > Der größer Widerstand bestimmt in deinem Fall die minimale Last (plus > das, was du am Ausgang noch entnimmst). Warum also nicht 10k und 100Ω > oder 2k und 20Ω wählen? > Problematisch ist bei kleinen Werten (für R1) der Fall bei SingleSupply. > Da braucht man ja noch einen Kondensator in Serie auf GND und der wird > eben bei einem 20Ω-Widerstand für eine niedrige untere Grenzfrequenz > entsprechend groß. Da wären 20k ... 50k und 200Ω ... 500Ω bessere Werte. > > Ich bin mir nicht ganz sicher, aber ich vermute mal stark, dass für das > resultierende Rauschen die Parallelschaltung der beiden Widerstände der > eigentlich anzusetzende Wert ist, denn für Wechselstrom liegen die ja > parallel und speisen damit den nicht-invertierenden Eingang. Auch danke für deine Antwort. Ja du hast recht für das resultierende Rauschen ist die Parallelschaltung anzusetzen. Aber es ist immer noch ein Unterschied ob ich für den Fall 1. 990 Ohm parallel oder für den Fall 2 0,99 Ohm parallel habe (auch wenn es 2 extreme sind). Warum braucht man ein Kondensator in Reihe bei SingleSupply kannst du mir das sagen?
Noname schrieb: > Warum braucht man ein Kondensator in Reihe bei SingleSupply kannst du > mir das sagen? Weil du dann das Eingangssignals in die Mitte der Versorgung legen musst, abgekoppelt von der Quelle mit C und mit zwei gleichen Widerständen zentriert. Dann hast du am +E des OPAs z.B. 5V DC-Anteil (bei 10V Versorgung), den du auch mit dem Faktor 100 verstärken würdest --> OPA geht an Anschlag. Der C an dem zweiten Widerstand reduziert die Verstärkung für DC auf 1, so dass am Ausgang wieder der 5V-Bias vorhanden ist, und nicht 500V ;-). > Ich habe mir jetzt den NE5534 als Beispiel genommen, der hat laut > Datenblatt ein maximalen Ausgangsstrom von +- 10 mA, wenn ich jetzt die > maximale Differenzspannung, die am Opamp anliegt, kenne (sagen wir mal > 0,1V) kann ich dann mit U=R*I auf die Widerstände kommen? Der Fehler liegt in der Annahme, dass man hierfür die Eingangsspannung hernimmt. Nein, die maximale Ausgangsspannung, die dein Signal annehmen kann (oder einfachst: die Versorgungsspannung) ist der Wert, der in die Formel R=U/I eingesetzt wird. Bei z.B. ±10V Versorgung und 10mA ergibt das 1kΩ. > Aber es ist immer noch ein Unterschied ob > ich für den Fall 1. 990 Ohm parallel oder für den Fall 2 0,99 Ohm > parallel habe (auch wenn es 2 extreme sind). Schon, aber berechne doch mal die Rauschleistung der Widerstände und setze sie in Vergleich zum Rauschen des OPAs selbst. Dort sind jede Menge rauschende Transistoren beteiligt und ich behaupte mal, ohne es je berechnet zu haben, dass da Faktoren zwischen dem Widerstands- und dem Halbleiterrauschen liegen - auch schon bei den 990Ω. Wenn du den NE5534 (als rauscharm bekannt) im Auge hast, dann versuche doch mal, Applikationsschriften zu finden, die sich mit den Rauschproblematiken der Widerstandbeschaltung beschäftigen. Wenn ich an die alte Zeit der Plattenspieler mit MC- und MM-Systemen. denke: Man hat damals die erste und ev. zweite Stufe mit Transistoren ausgeführt --> so wenig wie möglich Halbleiter in den ersten Stufen. Von den MC-Systemen ist mir eine Schaltung in Erinnerung, die mehrere Transistoren parallel betrieb, wobei sich da das Nutzsignal linear und die Rauschbeiträge der Halbleiter nur mit √n addieren (n: Anzahl der parallelen Transistoren).
HildeK schrieb: > Weil du dann das Eingangssignals in die Mitte der Versorgung legen > musst, abgekoppelt von der Quelle mit C und mit zwei gleichen > Widerständen zentriert. Dann hast du am +E des OPAs z.B. 5V DC-Anteil > (bei 10V Versorgung), den du auch mit dem Faktor 100 verstärken würdest > --> OPA geht an Anschlag. Der C an dem zweiten Widerstand reduziert die > Verstärkung für DC auf 1, so dass am Ausgang wieder der 5V-Bias > vorhanden ist, und nicht 500V ;-). Achsoooo, jetzt klingt es logisch! > Der Fehler liegt in der Annahme, dass man hierfür die Eingangsspannung > hernimmt. Nein, die maximale Ausgangsspannung, die dein Signal annehmen > kann (oder einfachst: die Versorgungsspannung) ist der Wert, der in die > Formel R=U/I eingesetzt wird. Bei z.B. ±10V Versorgung und 10mA ergibt > das 1kΩ. Super, das habe ich nun auch verstanden :) > Schon, aber berechne doch mal die Rauschleistung der Widerstände und > setze sie in Vergleich zum Rauschen des OPAs selbst. Dort sind jede > Menge rauschende Transistoren beteiligt und ich behaupte mal, ohne es je > berechnet zu haben, dass da Faktoren zwischen dem Widerstands- und dem > Halbleiterrauschen liegen - auch schon bei den 990Ω. > Wenn du den NE5534 (als rauscharm bekannt) im Auge hast, dann versuche > doch mal, Applikationsschriften zu finden, die sich mit den > Rauschproblematiken der Widerstandbeschaltung beschäftigen. Das ganze habe ich mal getan, ich weiß allerdings nicht, ob ich nicht da auch ein Fehler gemacht habe. Das ganze soll eine Ultraschallverstärkerschaltung werden: Das Spannungsrauschen wird im Datenblatt des NE5534A mit 3,5nV/sqrt(Hz) angegeben das ist bei einer Frequenz von 40kHz ein Rauschen von 0,7µV. Das Thermische Rauschen berechnet sich aus sqrt(4*k*f*T*R) wobei k die Boltzmannkonstante, f die Frequenz, T die Temperatur in [K] und R der Rauschende Widerstand ist. Insgesamt komme ich bei einer angenommenen Temperatur von 300K und einem Widerstand von 990Ω 0,81uV und demnach ein höheres Rauschen hätte als ein Widerstand, da muss doch etwas nicht stimmen?! Gruß Noname
Tja, deine Rechnung ist wohl richtig. Ich bin selbst etwas überrascht. Eine weitere Recherche im Netz brachte die folgende Seite zu Tage, die noch ein paar andere Aspekte und auch Rechenbeispiele aufzeigt: http://www.elektronikinfo.de/strom/op_rauschen.htm#Beispiel Da bekommst du deine Rechnung bestätigt. Gleichzeitig ist überraschend, dass die Werte mit einem TL071 und dem NE5534 gar nicht so weit auseinander liegen (gerade mal 4dB oder 3,2µV zu 2µV), obwohl beide Schaltungen bez. der Widerstände optimiert wurden. Das spiegelt nicht ganz die Standard-Datenblatt-Angaben von 18µV/√Hz und 4nV/√Hz wieder. Vielleicht noch ein Hinweis: die 40kHz sind die Bandbreite, nicht die höchste Frequenz. Gerade bei Ultraschall-Anwendungen kann man doch ev. die Bandbreite deutlich einschränken (Bandpass). Damit verringert sich der Wert für die Frequenz in den Gleichungen und damit der absolute Rauschbeitrag.
HildeK schrieb: > Da bekommst du deine Rechnung bestätigt. Gleichzeitig ist überraschend, > dass die Werte mit einem TL071 und dem NE5534 gar nicht so weit > auseinander liegen (gerade mal 4dB oder 3,2µV zu 2µV), obwohl beide > Schaltungen bez. der Widerstände optimiert wurden. Das spiegelt nicht > ganz die Standard-Datenblatt-Angaben von 18µV/√Hz und 4nV/√Hz wieder. Im Grunde, weil 10 kOhm Quellwiderstand für den NE5534 zu viel sind, der ist quasi optimiert für 600 Ohm. Genaus wie man bei einer diskreten Schaltung den Kollektorstrom optimieren muss, muss man bei einer OpAmp-Schaltung diesen durch Auswahl optimieren. Also mittels Durchspielen von Strom- und Spannungsrauschen. Gruß
Noname schrieb: > Das Spannungsrauschen wird im Datenblatt des NE5534A > mit 3,5nV/sqrt(Hz) angegeben das ist bei einer Frequenz > von 40kHz ein Rauschen von 0,7µV. Ja. > Das Thermische Rauschen berechnet sich aus sqrt(4*k*f*T*R) > wobei k die Boltzmannkonstante, f die Frequenz, T die > Temperatur in [K] und R der Rauschende Widerstand ist. Insgesamt > komme ich bei einer angenommenen Temperatur von 300K und einem > Widerstand von 990Ω 0,81uV Nochmal ja. Sieht von der Größenordnung her richtig aus. > und demnach ein höheres Rauschen hätte als ein Widerstand, > da muss doch etwas nicht stimmen?! ??? Der Widerstand hat ein höheres Rauschen als der Widerstand? Kannst Du das bitte mal ins Deutsche übersetzen? Von der Grundtendenz her kommt mir das alles schon richtig vor. Den NE5534 muss man relativ niederohmig beschalten. 1kOhm für den Innenwiderstand des Rückkoppel-Spannungsteilers ist bissl viel.
HildeK schrieb: > Schon, aber berechne doch mal die Rauschleistung der > Widerstände und setze sie in Vergleich zum Rauschen > des OPAs selbst. Dort sind jede Menge rauschende > Transistoren beteiligt Das stimmt schon - aber je weiter hinten im Signalweg die Rauschquellen sind, desto weniger wirken sie sich auf das Gesamtrauschen aus. Die Eingangsstufe dominiert mit weitem Abstand.
HildeK schrieb: > Da bekommst du deine Rechnung bestätigt. Gleichzeitig > ist überraschend, dass die Werte mit einem TL071 und > dem NE5534 gar nicht so weit auseinander liegen (gerade > mal 4dB oder 3,2µV zu 2µV), obwohl beide Schaltungen > bez. der Widerstände optimiert wurden. Das spiegelt > nicht ganz die Standard-Datenblatt-Angaben von 18µV/√Hz > und 4nV/√Hz wieder. Die Rechnungen auf der angegebenen Webseite sehen richtig aus, sind aber leicht irreführend. Dort wird nämlich das Gesamtrauschen berechnet, also das Rauschen des Quell- widerstandes (im Beispiel 10kOhm) zusammen mit dem Rauschen der OPV-Schaltung. Die Angabe der Gesamtrauschzahl ist nur bedingt sinnvoll, denn auch ein völlig rauschfreier OPV käme im Beispiel immer noch auf 1.82µV. Das theoretische Limit wird nämlich durch das Rauschen der Quelle vorgegeben (10kOhm --> lt. Webseite 1.82µV); keine OPV-Schaltung der Welt kann also unter diesen Wert kommen, denn diese Rauschleistung wird ja schon von der Quelle zusammen mit dem Nutzsignal geliefert! Üblicherweise interessiert man sich für das Zusatzrauschen , das ist der Rauschbeitrag, den der Verstärker dem von der Quelle gelieferten Rauschen hinzufügt . Wenn man das Zusatzrauschen ausrechnet, kommt man für den TL072 auf Wurzel(3.2^2 - 1.82^2) = 2.63µV. Für den NE5534 erhält man Wurzel(2.0^2 - 1.82^2) = 0.83µV. Die zugehörigen Zusatz-Rauschmaße von 0.8dB bzw. 4.9dB finden sich auch - etwas im Fließtext versteckt - auf der Webseite. Der NE5534 ist, wie man sieht, deutlich besser. Das Weltbild stimmt wieder :-)
Possetitjel schrieb: > HildeK schrieb: > >> Da bekommst du deine Rechnung bestätigt. Gleichzeitig >> ist überraschend, dass die Werte mit einem TL071 und >> dem NE5534 gar nicht so weit auseinander liegen (gerade >> mal 4dB oder 3,2µV zu 2µV), obwohl beide Schaltungen >> bez. der Widerstände optimiert wurden. Das spiegelt >> nicht ganz die Standard-Datenblatt-Angaben von 18µV/√Hz >> und 4nV/√Hz wieder. > [ Zusatzrauschen ] > Der NE5534 ist, wie man sieht, deutlich besser. Das Weltbild > stimmt wieder :-) Das ist natürlich alles richtig, aber der NE5534 hat ein Stromrauschen von typ. 0,4 pA/Wurzel(Hz), in der Beispielrechnung sogar von 0,6 pA/Wurzel(Hz). Mal 10 kOhm gibt das dann 6 nV/Wurzel(Hz). Also mehr als das Spannungsrauschen. Das Spannungsrauschen spiegelt nur bei kleinen Widerständen das zu erwartende Zusatzrauschen wieder. Wenn man in der Beispielrechnung nur mal Spannungsrauschen und Stromrauschen am Quellwiderstand nimmt, dann gibt das für den TL071 etwa 2,56 µV und für den NE5534 etwa 1,41 µV. Der TL071 ist so gesehen nur um den Faktor 1,8 schlechter und nicht um den Faktor 18/4=4,5. Gruß
Joachim schrieb: > Wenn man in der Beispielrechnung nur mal Spannungsrauschen und > Stromrauschen am Quellwiderstand nimmt, dann gibt das für den TL071 etwa > 2,56 µV und für den NE5534 etwa 1,41 µV. Der TL071 ist so gesehen nur um > den Faktor 1,8 schlechter und nicht um den Faktor 18/4=4,5. Die Rechnung war natürlich Quark, muss das ja quadrieren und Wurzel ziehen und so weiter. ;-( Gruß
Joachim schrieb: > Das Spannungsrauschen spiegelt nur bei kleinen Widerständen > das zu erwartende Zusatzrauschen wieder. Hmpf... ist das alles kompliziert. - Dein Einwand ist berechtigt. Der TL072 wird insofern benachteiligt, als der Quellwiderstand von im Beispiel 10kOhm sehr viel niedriger ist, als für ihn optimal wäre. Wenn man die gesamte Rechnung mit 1MOhm Quellwiderstand wiederholt, wird der NE5534 haushoch verlieren.
Ich glaube, man kann sagen, dass der OpAmp aus der Liste der verfügbaren
am geeignetsten ist, bei dem
Spannungsrauschen^2 + (R_Quelle*Stromrauschen)^2
am kleinsten ist.
Die anderen Faktoren dann unter der Wurzel sind entweder vorgegeben, wie
das thermische Rauschen der Quelle, oder können so verkleinert werden,
dass sie irrelevant sind, wie das Rauschen der Rückkopplung.
Gruß
ich finde, Fig. 3.10 auf S. 13 dieses pdfs fasst die Beiträge der verschiedenen Rauschquelle bei OPV-Verstärkern recht übersichtlich zusammen, wobei allerdings der Anstieg des OPV-Rauschens bei niedrigen Frequenzen nicht beschrieben wird. http://www.analog.com/static/imported-files/seminars_webcasts/489168400sscsect3.PDF Genau der Fall, den Noname durchgerechnet hat, wird dort als Merkregel genannt: "A simple relationship which is easy to remember is that a 1000Ω resistor generates a Johnson noise of 4nV/√Hz at 25ºC" -> die Rückkopplung mit 100k - 1k liefert also tatsächlich einen etwas größeren Rauschbeitrag als die 3,5nV/√Hz des NE5534A selbst (ohne 1/f Rauschen).
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