Hallo! Ich habe eine Verständnis-/Interessenfrage zu einem Stromverstärker, den ich aufgebaut habe. Es ist jener, um den es schonmal in diesem (Beitrag "Zeitverhalten von Stromverstärker optimieren") Thread ging. Ich hänge das Schaltbild hier auch noch mal an ... Mich hat die Linearität von dem Verstärker interessiert, deswegen habe ich einfach mal nacheinander 20 verschiedene Steuerspannungen angelegt und dann den ausgegebenen Strom (Spannungsabfall am Shunt) gemessen. Wenn ich die beiden Größen direkt gegeneinader auftrage, bekomme ich eine schöne Gerade (linker Plot in anängendem Bild). Um etwas genauer hinzusehen, habe ich einen linearen Fit in die Daten gelegt. Für jede Steuerspannung kann ich somit den vom Fit vorhergesaten Strom (Annahme ideal linear) mit dem tatsächlich gemessenen Strom vergleichen. Wenn ich nun also die Differenz von Fit und tatsächlichen Strömen für jede Steuerspannung plotte (also sozusagen die Residuals vom Fit), erhalte ich den rechten Plot (Anhang). Offensichtlich habe ich also um den Nullpunkt der Steuerspannung den größten Linearitätsfehler. Rein aus Interesse: kann man dieses Verhalten irgendwie "qualitativ" erklären? Liegt das am OpAmp selbst oder eher an der äußeren Beschaltung? Vielen Dank für alle Ideen dazu!
Angehängte Dateien:
-
PXL_20210928_083827583_.jpg
98 KB -
currErr.png
11 KB
Ist das jetzt an einem realen Aufbau gemessen? Oder nur irgendwie was simuliert? Wenn real, dann hat man schon mal den Offset des OPV, was eine statische Verschiebung der Linie zur Folge hätte (könnte die 1,1mA bei 0V sein). Dann kommen Nichtlinearitäten des OPV hinzu, was unterschiedliche Verstärkungsfehler je nach Aussteuerung verursacht, vor allem, wenn der OPV intern nicht wirklich vollsymmetrisch aufgebaut ist (was wohl eher selten der Fall sein dürfte). Das könnte die Krummheit des Fehlers generell bewirken. Was aber noch nicht klar ist, ist die Richtung des Fehlers, der für beide Quadranten in dieselbe Richtung zu gehen scheint. Also egal, ob nach oben oder unten ausgesteuert wird, der Fehler ist stets zunehmend negativ. Auch, wenn ich mir noch kein Szenario vorstellen kann, was das in der Form verursachen könnte, könnte es evtl. sein, daß die Lastströme bei Dir über einen Masse-Abschnitt laufen, an denen beide Eingänge und die Last mehr oder weniger direkt dran hängen, und durch Spannungsabfälle entsprechende Abweichungen auftreten. Aber vielleicht ist das wirklich auch nur eine Eigenheit des OPV. Welchen benutzt Du denn da? Zumindest bei einem LM324 o.ä. kann ich mir deutliche Nichtlinearitäten vorstellen, da der schon mal keine ordentliche Endstufe hat.
Dein max. gemessener Fehler ist ca. 0,2% vom Messwert. Wie genau misst du? Der Fehler bei 0V könnte ein Offsetfehler des OPs sein. Welche Temperaturkoeffizient hat dein Rmess? Der ist bei 0V nicht belastet und wird umso wärmer je mehr Strom durch ihn durch fliesst. Wenn das jetzt ein Feld Wald und Wiesenwiderstand mit 5% oder auch 1% Toleranz ist müssen wir über (vieleicht) 0,2% Fehler nicht weiterdiskutieren.
:
Bearbeitet durch User
Ganz vielen Dank für die Antworten schonmal! Das ist nicht simuliert sondern am "realen Objekt" gemessen. Der OpAmp ist ein OPA 548, hat also eine integrierte Endstufe. Die Last ist eine Spule mit ~10 Ohm / ~1 mH. Der Shunt ist 0.47 Ohm groß und ist so einer (https://www.reichelt.de/widerstand-manganin-470-mohm-to-247-3-w-1--isa-pbh-r470-f1-p237453.html?&nbc=1), also eigentlich "was Besseres". Die Genauigkeit meiner Messung kann ich schlecht quantifizieren. Ich habe mit einem 16 Bit DAC Interface gemessen, der Eingangsverstärker war einigermaßen auf die Signalamplituden angepasst. Außerdem habe für alle Werte jeweils über 15 Sekunden gemittelt. Zum Offsetfehler des Verstärkers: ich hätte jetzt irgendwie intuitiv erwartet, dass der sich einfach "statisch" zum Ausgangsstrom addiert und somit eigentlich die Linearität nicht beeinflusst ...
Klausi schrieb: > Das ist nicht simuliert sondern am "realen Objekt" gemessen. Der OpAmp > ist ein OPA 548, hat also eine integrierte Endstufe. Die Last ist eine > Spule mit ~10 Ohm / ~1 mH. Der Shunt ist 0.47 Ohm groß und ist so einer Dann stimmt aber das linke Diagramm nicht, denn bei 1V über den Shunt hätten wir 2A, nicht 0,2A. > (https://www.reichelt.de/widerstand-manganin-470-mohm-to-247-3-w-1--isa-pbh-r470-f1-p237453.html?&nbc=1), > also eigentlich "was Besseres". > > Die Genauigkeit meiner Messung kann ich schlecht quantifizieren. Ich > habe mit einem 16 Bit DAC Interface gemessen, der Eingangsverstärker war > einigermaßen auf die Signalamplituden angepasst. Außerdem habe für alle > Werte jeweils über 15 Sekunden gemittelt. > > Zum Offsetfehler des Verstärkers: ich hätte jetzt irgendwie intuitiv > erwartet, dass der sich einfach "statisch" zum Ausgangsstrom addiert und > somit eigentlich die Linearität nicht beeinflusst ... Ja, deswegen hatte ich ja auch einfach die 1,1mA-Spitze als Offset betrachtet, und der Rest sind dann eben Nichtlinearitäten. Wenn man also diesen Offset mal wegdenkt, dann würde die Meßkurve also nur unterhalb der Ideallinie verlaufen, und berührt nur im Nullpunkt die Ideallinie. Also leicht unterschiedliche Verstärkung ober-/unterhalb des Nullpunktes. Kann also alles sein, entweder wirklich der OPV, oder aber auch Deine Mußapparatur (Nichtlinearitäten in DAC/ADC). Da hilft eigentlich nur eins: das ganze jetzt mal mit echten Meßgeräten an Ein- und Ausgang verifizieren - also manuell die Kurve aufnehmen.
:
Bearbeitet durch User
Klausi schrieb: > Rein aus Interesse: kann man dieses Verhalten irgendwie "qualitativ" > erklären? Liegt das am OpAmp selbst oder eher an der äußeren > Beschaltung? wenn sich die Kennlinie näherungsweise als Parabel beschreiben lässt und die eine gerade anfittest, dann hast du automatisch die maximalen abweichungen in der Mitte und am Rand. du kannst die Auswertung ja mal nur für die linke Hälfte deiner Messwerte durchführen und schauen, wo dann die größte abweichung liegt.
Mach mal eine Simulation mit einem idealen OpAmp und dann fügst du Eingangsoffset- -spannung und -strom ein...
Ich würde mal in Richtung "Schleifenverstärkung" forschen. Als Literatur könnte die der Tietze/Schenk dienen. Auzug daraus (mit Kürzungen):
1 | Daraus folgt die wichtigste Regel zur Berechnung von Operationsverstärker- |
2 | Schaltungen: |
3 | |
4 | Die Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers stellt sich so ein, daß |
5 | die Eingangsspannungsdifferenz Null wird. |
6 | |
7 | [...] Damit der durch die Näherung in (5.12) bedingte Fehler 1 o/oo nicht überschreitet, ist eine Schleifenverstärkung von g = 1000 erforderlich. Wenn die gegengekoppelte Schaltung eine Verstärkung von A = 100 besitzen soll, läßt sich aus (5.13) die erforderliche Differenzverstärkung berechnen: A(D) = g*A = 1000 * 100 = 10^5. |
8 | |
9 | Hier wird deutlich, warum man bei Operationsverstärkern eine möglichst hohe |
10 | Differenzverstärkung anstrebt. |
Teil 2 (sorry für die misslungene Formatierung von Teil 1) Analoges gilt für die Verzerrungen: Nur ausreichend Gegenkopplung kann diese wegbügeln. Da Spulen im Spiel sind, brauchst die geforderten Verstärkungen auch bei hohen Spannungen.
Die begrenzte Verstärkung(fehler) äußert sich immer in Symmetrie zur Nullreferenz. Es gibt also noch weitere Fehlerquellen laut der Ausgangskennlinie.
Teil 3 Student Manual for the Art of Electronics [Hayes T.C., Horowitz P] [CUP - Cambridge University Press] [622p] [6-6].pdf (findest du irgendwo im www), dort "Class 9: Op Amps II: Depratures from Ideal" sollte auch was her geben.
Evtl ein Fehler im Aufbau? Shunt Masseleitung wird warm -> größerer Shuntwiderstand für Deine Schaltung -> kleinerer Strom (bei großem Strom ;) ) , passt zum Fehlerdiagram :) Der Sense Eingang des OP lässt sich ja noch einfach als Vierleitermessung zum Schunt führen (kein Strom drin), bei 'GND' ist es wichtig zu schaunen, wo der Strom ist, und 'GND' des Eingangs und des Shunt stromlos zu verbinden. Ist bei Eingang 'Null' wirklich ein Strom (möglich, da Offsets , siehe Datenblatt) oder kommt der aus dem 'Best Fit' ? “ground” is a convenient fantasy ... Zitat aus einer Tektronix Appnote Oder wird einfach nur dein Shunt warm und ändert seinen Wert? (Nach Deiner Messbeschreibung würde dieser Fehler jedoch wegfallen, zweimal Falsch kompensiert sich hier :D )
:
Bearbeitet durch User
Klausi schrieb: > Ganz vielen Dank für die Antworten schonmal! > Das ist nicht simuliert sondern am "realen Objekt" gemessen. Der OpAmp > ist ein OPA 548, hat also eine integrierte Endstufe. Die Last ist eine > Spule mit ~10 Ohm /schlecht > .... > Zum Offsetfehler des Verstärkers: ich hätte jetzt irgendwie intuitiv > erwartet, dass der sich einfach "statisch" zum Ausgangsstrom addiert und > somit eigentlich die Linearität nicht beeinflusst ... Und da die integrierte Endstufe den ich aufheizt, Und deshalb der Offset deutlich mit der Temperatur geht: Ist genau das der Fehler in deiner Intuition
Thread beobachten
Seitenaufteilung abschaltenBitte melde dich an um einen Beitrag zu schreiben. Anmeldung ist kostenlos und dauert nur eine Minute.
Bestehender Account
Schon ein Account bei Google/GoogleMail? Keine Anmeldung erforderlich!
Mit Google-Account einloggen
Mit Google-Account einloggen
Noch kein Account? Hier anmelden.