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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV Verständnissfrage


Autor: matzunami (Gast)
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Hi,

ich hab mal eine Frage zur OPV Spannungsversorgung. Diese ist ja 
meistens mit +-18V angegeben. Es gibt aber auch OPV's, wo außerdem noch 
expliziet auch der Breich von 2 bis 36V bei Single Supply angegeben ist. 
Dies steht bei vielen aber nicht extra dabei, ist doch aber bei allen 
möglich oder?

D.h. meine Frage ist: Jeder OPV mit einer Spannungsversorgung von +-18V, 
arbeitet auch mit einer Spannung von 0 bis 36V (ist ja der gleiche 
Potentialunterschied)?

Meine zweite Frage ist dann, warum bei diversen Kennlienen immer der 
Bereich von +-15V angegeben ist (Speziell für Gleichtaktansteuerung)? 
Wenn ich den OPV mit 0 bis 36V versorge, kann ich diese Kenlinen dann 
einfach parallel verschieben? oder ist dann mit einem anderen verhalten 
zu rechnen?

Bsp. AD8226
hat bei einer Versorgungspannung von +-12V und einem Gleichtakt von 10V 
auf den Eingängen, maximal eine Ausgangsspannung von +-2V (ich nehme an 
das dann auserhalb des Kraven die liniarität verlohren geht)?
Wenn ich jetzt den OPV mit 0 bis 24V versorge, dann verschiebt  sich 
doch die Kennlinie nach oben, und ich hätte die voll mögliche 
Ausgangsspannung von knapp 12V. Seh ich das alles richtig?

Autor: ArnoR (Gast)
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Mit SingleSupply sind OPVs gemeint, deren Eingang gleichtaktmässig bis 
an eine Betriebsspannung (meist -Ucc) heran funktioniert. Bei normalen 
OPV geht das nicht, diese müssen jeweils einen Abstand von ein paar Volt 
einhalten.

Autor: aemkai (Gast)
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@ArnoR: Du meinst Rail-to-Rail?!

Autor: ArnoR (Gast)
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Nein, Input-RailToRail können bis an beide Versorgungen ausgesteuert 
werden, SingleSupply nur an eine.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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matzunami schrieb:
> hat bei einer Versorgungspannung von +-12V und einem Gleichtakt von 10V
> auf den Eingängen, maximal eine Ausgangsspannung von +-2V
Nein, er kann dann bei einer Last von 2kOhm bis zu -11.6V...+11.3V 
aussteuern: −VS+0.4 ...  +VS−0.7
Sitchwort fürs Datenblatt: Output Swing

> Wenn ich jetzt den OPV mit 0 bis 24V versorge, dann verschiebt  sich
> doch die Kennlinie nach oben, und ich hätte die voll mögliche
> Ausgangsspannung von knapp 12V. Seh ich das alles richtig?
Dann kann der Ausgang von 0.4V ... 21.3V
Am Eingang darfst du dann von −VS−0.1 ... +VS−0.8 also -0.1V ... 21.8V 
anlegen.

> ich nehme an das dann auserhalb des Kraven die liniarität verlohren geht
Brutal...  :-/

Autor: oszi40 (Gast)
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Autor: aemkai (Gast)
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@ArnoR:
Danke, wieder was gelernt :-)

Autor: matzunami (Gast)
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> Lothar Miller (lkmiller) schrieb:
> Nein, er kann dann bei einer Last von 2kOhm bis zu -11.6V...+11.3V
> aussteuern: −VS+0.4 ...  +VS−0.7
> Stichwort fürs Datenblatt: Output Swing

das sehe ich eben nicht ganz so denn:
Laut Datenblatt -> http://www.farnell.com/datasheets/608856.pdf Seite 11 
sieht man ja die Abhängigkeit von der Common Mode Voltage Range in 
Abhängigkeit der Ausgangsspannung. Und da sieht man ja das bei einer 
Gleichtaktspannung von 12V, Ausgangsseitig die +-5V nicht mehr 
überschritten werden können. Der Output Swing von −VS+0.4 ...  +VS−0.7 
trifft hier nur bei einem Gleichtakt von -7,9 bis +6,8V zu!!! Drüber und 
drunter geht der max. Output Swing zurück.

Nun die Frage nochmal, wenn ich den OPV mit 0 und 24V versorge, schiebt 
sich dann der Graf nach oben, sodass ich wieder einen höheren Output 
Swing bei 12V Gleichtakt habe???

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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matzunami schrieb:
> D.h. meine Frage ist: Jeder OPV mit einer Spannungsversorgung von +-18V,
> arbeitet auch mit einer Spannung von 0 bis 36V (ist ja der gleiche
> Potentialunterschied)?

Ja.

> Meine zweite Frage ist dann, warum bei diversen Kennlienen immer der
> Bereich von +-15V angegeben ist (Speziell für Gleichtaktansteuerung)?

Vor allem bei Audioverstärkern ist eine Versorgungsspannung von ±15V
üblich, deswegen beziehen sich die Werte in den Datenblättern oft (aber
nicht immer) auf diese Spannung. Bei Single-Supply-OPVs sind sie oft
auch für +5V/0V angegeben.

> Wenn ich den OPV mit 0 bis 36V versorge, kann ich diese Kenlinen dann
> einfach parallel verschieben? oder ist dann mit einem anderen verhalten
> zu rechnen?

Bei OPVs ja, sofern es sich bei den Spannungsangaben in den Diagrammen
um absolute Spannungen handelt. Handelt es sich dagegen um Differenz-
spannungen, verschieben sie sich nicht.

> Bsp. AD8226

Vorsicht: Das ist kein OPV, sondern ein Instrumentenverstärker, da
liegen die Dinge teilweise etwas anders.

> hat bei einer Versorgungspannung von +-12V und einem Gleichtakt von 10V
> auf den Eingängen, maximal eine Ausgangsspannung von +-2V

Wenn man zwischen den im Diagramm angegebenen Eckwerten interpoliert,
kommt man auf etwa ±2,6V.

> (ich nehme an das dann auserhalb des Kraven die liniarität verlohren
> geht)?

Nein, das hat einen anderen, ganz banalen Grund: Die maximale Eingangs-
spannung ist 11,3V. Bei einer Gleichtaktspannung von +10V kann die Dif-
ferenzspannung zwischen den Eingängen also maximal ±2·(11,3V-10V)=2,6V
werden. Bei G=1 ist damit auch die Ausgangsspannung maximal ±2,6V.

Mehr erwartest du auch gar nicht, denn wenn du die Differenzspannung am
Eingang innerhalb der Eingangsspannungsgrenzen vergrößerst, geht das nur
mit einer Verringerung der Gleichtaktspannung, was automatisch den Aus-
gangsspannungsbereich um das erforderliche Maß vergrößert.

Für G=100 ist der begrenzende Faktor nicht die maximale Eingangsspan-
nung, sondern die maximale Ausgangsspannung der internen Eingangs-OPVs
des Instrumentenverstärkers. Da diese — wenn man die Eingangsspannungs-
verschiebung von einem Ube der Eingangstransistoren herausrechnet — ähn-
lich groß wie die maximale Eingangsspannung ist, erhält man auch einen
ähnlichen Ausgangsspannungsbereich im Diagramm, nämlich etwa ±2,4V.

> Wenn ich jetzt den OPV mit 0 bis 24V versorge, dann verschiebt  sich
> doch die Kennlinie nach oben, und ich hätte die voll mögliche
> Ausgangsspannung von knapp 12V. Seh ich das alles richtig?

Wenn die Referenzspannung am REF-Pin in entsprechender Weise angehoben
wird (nämlich auf +12V), kannst du das Sechseck im Diagramm ebenfalls
einfach um 12V nach oben schieben.

Bleibt der REF-Pin aber auf 0V, bekommst du als Ortskurve für die
maximale Ausgangs- und Gleichtaktspannung ein Dreieck ähnlich wie in
Figure 10 und 11, allerdings wegen der höheren Versorgungsspannung
hochskaliert.

Autor: matzunami (Gast)
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ok danke, ich hoffe ich habe das verstanden. Ich habe mal im Anhang das 
Diagramm so abgeändert, wie es dann doch bei 24V single supply aussehen 
sollte. Stimmt das so???
D.h. die maximale Ausgangspannung ist immer bei Ub halbe? Bei einem 
Signal das keinen Gleichtakt hat wäre nur eine sehr geringe 
Ausgangsspannung möglich??? Und wenn ich die 24Volt noch an das Vref pin 
hänge, wird es so wie im unteren Diagramm?
Sehe ich das richtig, dass es nicht möglich ist, den max. Output Swing 
bei einer Gleichtakteingangsspannung im bereich 0V bis x Volt zu 
erreichen, wenn ich diesen mit single supply versorge???

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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matzunami schrieb:
> ok danke, ich hoffe ich habe das verstanden. Ich habe mal im Anhang das
> Diagramm so abgeändert, wie es dann doch bei 24V single supply aussehen
> sollte. Stimmt das so???

Fast. Im Diagramm rechts unten sollte Vref=12V statt Vref=24V stehen.
Das symmterische Sechseck erhält man immer dann, wenn die
Referenzspannung genau in der Mitte zwischen Vs+ und Vs- liegt.

> D.h. die maximale Ausgangspannung ist immer bei Ub halbe? Bei einem
> Signal das keinen Gleichtakt hat wäre nur eine sehr geringe
> Ausgangsspannung möglich???

Klar, wenn die Gleichtaktspannung 0V, also gleich der negativen
Versorgungsspannung ist und die Eingangsspannung die negative
Versorgungsspannung nicht wesentlich unterschreiten darf, kann die
Differenzspannung an den Eingängen nicht sehr groß werden. Bei G=1
bleibt dann auch die Ausgangsspannung entsprechend niedrig.

Aber lass dich durch diese Überlegungen mit der Gleichtaktspannung nicht
verwirren, sondern betrachte einfach mal jede der beiden Eingangsspan-
nungen für sich. Also gehen wir von

  Vs+ = +24V
  Vs- =   0V
  G   =   1

aus. Dann dürfen die Eingangsspannungen Vin+ und Vin- jeweils zwischen
-0,4V und +23,3V, also ungefähr zwischen den Versorgungsspannungsgrenzen
liegen. Zusätzlich muss die Eingangsspannungsdifferenz positiv sein, da
sonst eine negative Ausgangsspannung geliefert werden müsste, was wegen
Vs-=0V nicht möglich ist.

Unter diesen Voraussetzungen erhältst du am Ausgang immer wie erwartet
die Eingangsspannungsdifferenz im Bereich von 0V bis 23,7V. Mehr will
man doch gar nicht, oder?

Dafür, dass die maximale Eingangsspannungsdifferenz von 23,7V nur dann
entsteht, wenn Vin+ = +23,3V und Vin- = -0,4V ist, also nur dann, wenn
die Gleichtaktspannung (23V + -0,4V) / 2 = 11,45V ist, kann der Instru-
mentenverstärker nichts.

Autor: matzunami (Gast)
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ABER:

> Unter diesen Voraussetzungen erhältst du am Ausgang immer wie erwartet
> die Eingangsspannungsdifferenz im Bereich von 0V bis 23,7V. Mehr will
> man doch gar nicht, oder?

Das mit dem G = 1 ist mir klar, aber warum erhöt sich die 
Ausgangsspannung nicht, wenn ich die Verstärkung erhöhe?
Speziell zu meinem Problem: ich habe eine Differenzspannung von 100mV, 
jedoch mit einem Gleichtakt von ca. 13V. Laut dem Diagramm (Vs = +-15V) 
erhalte ich doch auch keine Ausgangsspannung von 0V bis 5V bei einer 
Verstärkung von 50? sondern maximal so an die 2V, das ist mir noch nicht 
ganz klar. Wenn ich die Verstärkung G = 1000 nehmen würde, hätte ich bei 
1mV eine max U_out von +- wenigen mV, wenn das Eingangssignal einen 
Gleichtakt von 14,..V hätte. Bei G = 1 ist mir das klar hoher Gleichtakt 
-> kleiner Input Swing -> kleiner Output Swing. Wenn ich jetzt aber die 
Verstärkung erhöhe, warum steigt dann der Output Swing nicht?

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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matzunami schrieb:
> Das mit dem G = 1 ist mir klar, aber warum erhöt sich die
> Ausgangsspannung nicht, wenn ich die Verstärkung erhöhe?


Weil sonst, wie ich schon in meinem Beitrag vom 24.10.2010 22:56
schrieb,  die Ausgangsspannung eines der beiden Operationsverstärker A1
und A2 innerhalb des Instrumentenverstärkers (s. Figure 58) an den
Anschlag läuft.

Generell gibt es im Instrumentenverstärker drei Stellen, an denen eine
Spannungsbegrenzung stattfindet:

- an den Eingängen
- an den Ausgängen von A1 und A2 und
- am Ausgang von A3

Nur wenn an keiner dieser drei Stellen die Maximalwerte überschritten
werden, arbeitet der Instrumentenverstärker korrekt. Im Abschnitt "Input
Voltage Range" auf Seite 20 ist diese Problematik näher erläutert.

Autor: matzunami (Gast)
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gibt es noch Möglichkeiten die Differenz zweier Signale zu bilden, die 
einen relativ hohen Gleichtakt haben und man keine so hohe 
Versorgungsspannung zur Verfügung hat? Oder muss ich mir dann mit DC-DC 
Wandlern eine hohere Ub generieren?

Ich hätte halt gerne einen Gleichtaktbereich von 0-15V, mit einem 
Ausschlag von mindestens 5V über diesen Bereich. Soll ich da den 
Verstärker am besten mit -5V und 24V versorgen, dann müsst es ja passen 
oder? Gibt es da noch besondere OPV's, die ich noch nicht gefunden habe?

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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matzunami schrieb:
> gibt es noch Möglichkeiten die Differenz zweier Signale zu bilden, die
> einen relativ hohen Gleichtakt haben und man keine so hohe
> Versorgungsspannung zur Verfügung hat?

Du kannst mit einem OPV und diskreten Widerständen eine Subtrahierschal-
tung mit entsprechender Verstärkung aufbauen. Die Widerstände müssen
dann aber sehr genau sein oder von Hand abgeglichen werden, um ein gutes
CMRR zu erhalten. Da der Eingangswiderstand dieser Schaltung nicht sehr
hoch ist, musst du ggf. zwei weitere OPVs als Spannungsfolger vor die
Eingänge schalten. Damit hast du einen 3-OPV-Instrumentenverstärker, der
sich von der integrierten Variante dadurch unterscheidet, dass die Ver-
stärkung nicht in der ersten, sondern in der zweiten Stufe stattfindet.
Damit ist das Problem der Ausgangsspannungsbegrenzung der ersten Stufe
beseitigt, dafür ist das Rauschverhalten schlechter.

Ein ähnliches Ergebnis erhältst du, wenn du den AD8226 mit niedriger
Verstärkung betreibst und dafür das Ausgangssignal mit einem gewöhnli-
chen OPV nachverstärkst.

> Ich hätte halt gerne einen Gleichtaktbereich von 0-15V, mit einem
> Ausschlag von mindestens 5V über diesen Bereich. Soll ich da den
> Verstärker am besten mit -5V und 24V versorgen, dann müsst es ja passen
> oder?

Die Eingangsspannung wird durch die Eingangstransistoren um etwa 0,5V
angehoben. Aus den 0V bis 15V werden damit 0,5V bis 15,5V. Die Mitte
liegt bei 8V. Die Versorgungsspannung sollte mindestens um den Gleich-
taktbereich plus 0,2V, also um 15,2V darüber bzw. darunter liegen. Mit
-7,2V und +23,2V und Uref=+8V hast hast du damit garantiert über den
gesamten gewünschten Gleichtaktbereich den vollen Output-Swing.

> Gibt es da noch besondere OPV's, die ich noch nicht gefunden habe?

Es gibt so genannte "active feedback" oder "indirect current feedback"
Instrumentenverstärker (bspw. MAX4208), die das Problem nicht oder nur
in geringerem Maß aufweisen. Mit dem MAX4208 könntest du dir auch bei
einer Gleichtaktspannung von 0V die negative Versorgungsspannung sparen,
wenn die Differenzspannung nicht größer als etwas 100mV ist. Die positi-
ve Versorgungsspannung muss aber trotzdem ein Stück über der maximalen
Gleichtaktspannung liegen, ich habe beim Überfliegen des Datenblatts
allerdings nicht herausgefinden können, um wieviel genau.

Autor: matzunami (Gast)
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Hi,
ich hoffe das ist die letzte Frage. Ich habe soweit alles nachvollzogen 
und bedanke mich schon mal für die Mühe.

Ich hab mir mal die Mühe gemacht und hab das fragliche Diagramm mit 
Excel nachgebildet und verschoben (habs mal im Anhang drangehängt ist 
nur um 90 Grad gedreht). Ich habe es genau so hingebogen, wie es für 
meine Anwendung optimal sein dürfte. Ich komme dabei auf fast die 
Gleichen Spannungen wie du, nur habe ich U_ref auf Masse gelassen. Meine 
Frage. Warum beträgt bei dir U_ref 8V? Laut dem Diagramm müsste es doch 
mit U_ref = Masse so aussehen?

Autor: matzunami (Gast)
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kann es sein, dass ich -7V und 24V brauche ODER +-15V und dafür U_ref 
8V?

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