Bitte LT Spice Modell Design-Review von Differenzverstärker

[OPi (Gast)]

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.

[HildeK (Gast)]

>- 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.

[OPi (Gast)]

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?

[HildeK (Gast)]

>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 ...