Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV als Differenzverstärker: Datenblattangaben verstehen


von jey (Gast)


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Hallo,

ich möchte mit dem AD8028 eine Differenzspannung treiben.

http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8027_8028.pdf

Der OPV wird unsymetrisch betrieben mit +5V und GND.
Am +Eingang können Spannungen zwischen 3.25V und 3.75V anliegen.
Am -Eingang können Spannungen zwischen 3.25V und 1.25V anliegen.

Soweit ich das verstanden habe sind folgende Werte im Datenblatt 
auschlaggebend:

Input Common-Mode Voltage Range (@Vcc=+5V) [Seite 4]
−0.2 to +5.2

=> Sollte also passen, korrekt?

Nun bleibt aber noch die Frage, was der Ausgang des OPV ausgibt, wenn 
die Spannungen am +Eingang und am -Eingang nahezu identisch sind, was in 
meiner Schaltung vorkommen kann.

Das ist wohl die "Common-Mode Rejection Ratio" oder?

Wie berechene ich jetzt, bis zur welchen minimalen Spannungsdifferenz 
der OPV noch das korrekte Ergebnis ausgiebt? Und was gibt der OPV 
eigendlich aus, wenn diese minimale Differenz unterschritten wird?

Dankö schonmal ;)

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Opamps werden üblicherweise mit einer Gegenkopplung betrieben, die die
Linearität der Schaltung verbessert und über die die Verstärkung
festgelegt wird.

Die Differenz zweier Eingangsspannungen kann mit folgender Schaltung
gebildet werden:

  https://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverst%C3%A4rker-Grundschaltungen#Der_Subtrahierer_.28Differenzverst.C3.A4rker.29

Wie du siehst, werden hier die Eingangsspannungen nicht direkt an die
Eingänge des Opamps gelegt.

Du könntest den Opamp natürlich auch ohne externe Beschaltung verwenden.
Dann würde die Eingangsspannungsdifferenz aber um 110 dB (Open-Loop Gain
im Datenblatt), also etwa um den Faktor 300000 verstärkt werden, was bei
der maximalen Eingangsspannungsdifferenz von 2,5V viel zu viel ist.

Die verlinkte Subtrahierschaltung hat den Nachteil, dass die Eingänge
wegen der Beschaltung mit externen Widerständen nicht besonders
hochohmig sind. Außerdem müssen für eine gute Gleichtaktunterdrückung
(Common-Mode Rejection Ratio) der Gesamtschaltung die Verhältnisse R6:R4
und R7:R5 sehr genau übereinstimmen, weswegen man oft einen de vier
Widerstände abgleichbar macht.

Wenn die Genauigkeit wichtig ist, kannst du zur Differenzbildung
alternativ einen Instrumentenverstärker (Inamp) nehmen:

  http://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenverst%C3%A4rker

Diesen gibt es ebenfalls als IC. Seine Eingänge sind hochohmig, er ist
ab Werk bereits für eine gute Gleichtaktunterdrückung abgeglichen, und
die Verstärkung kann mit einem einzelnen externen Widerstand festgelegt
werden.

von Joe F. (easylife)


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Wie hast du den Opamp beschaltet? Als Komparator?
Was soll am Ende genau rauskommen?

Wenn +In > -In Ausgang = 5V
Wenn -IN < +IN Ausgang = 0V

"Common-Mode Rejection Ratio" ist die Gleichtaktunterdrückung.

Wenn beide Eingangsspannungen nahezu identisch sind, ist in einer 
Komparatorschaltung das Ausgangssignal relativ unberechenbar.
Kann in die eine oder andere Richtung gehen, oder sogar schwingen.

Daher beschaltet man einen Opamp als Komparator idealerweise so, dass er 
einen Schmitt-Trigger ergibt, mit (kleiner) Hysterese.

von jey (Gast)


Angehängte Dateien:

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Hi Yalu,

Danke für deine Antwort!
Den AD8028 habe ich mit externen Widerständen beschaltet, die 
Standartschaltung quasi...siehe Anhang... Ich hab aktuell 1k (R1, R3) 
und 2.5k (R2, R4) also eine Verstärkung von 2.5.

Aber noch einmal die Frage bezüglich der Differenzspannung:

Wie finde ich aus dem DB heraus, bis zu welcher minimalen Differenz der 
OPV noch richtig arbeitet und was gibt der OPV aus wenn ich diese Grenze 
unterschreite?

Mal abgesehen davon, das ich sowieso nicht auf 0V komme, auch nicht mit 
einem R/R-OPV...

von Joe F. (easylife)


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Wenn beide Eingänge die gleiche Spannung sehen, sollte bei deiner 
Schaltung genau 0V rauskommen.
Entscheidend hier ist aber der Output Voltage Swing, und da steht 
min/max -Vs+0.1V und +Vs-0.1V.

D.h. bei 5V Versorgung kann der Ausgang nur Signale zwischen 0.1 und 
4.9V liefern.

Ausserdem hast du eine Verstärkung von 2.5 eingestellt, bei einer max. 
Eingangsdifferenz von 3.75-1.25V ergäbe sich hier eine Ausgangsspannung 
von 6.25V -> geht mit 5V Versorgung nicht.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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jey schrieb:
> Den AD8028 habe ich mit externen Widerständen beschaltet, die
> Standartschaltung quasi...siehe Anhang... Ich hab aktuell 1k (R1, R3)
> und 2.5k (R2, R4) also eine Verstärkung von 2.5.

Das Wort heißt Standard (mit D). Und die Schaltung heißt Subtrahierer.

> Aber noch einmal die Frage bezüglich der Differenzspannung:
>
> Wie finde ich aus dem DB heraus, bis zu welcher minimalen Differenz der
> OPV noch richtig arbeitet und was gibt der OPV aus wenn ich diese Grenze
> unterschreite?

Die Frage ergibt so keinen Sinn. Die Ausgangsspannung des Subtrahierers 
ist mit deiner Dimensionierung


(alle Spannungen bezogen auf GND)

Da der OPV nur mit 0V und 5V versorgt wird, kann er an seinem Ausgang 
natürlich auch nur Spannungen zwischen 0V und 5V liefern (praktisch eher 
0.1V und 4.9V). Was einem Eingangsdifferenzspannungsbereich (wohlgemerkt 
zwischen U_e1 und U_e2) von ca. 0V bis 2V entspricht.

Für Eingangsdifferenzspannungen außerhalb deses Bereichs bleibt der 
OPV-Ausgang einfach bei der minimalen bzw. maximalen Spannung hängen. 
Der Subtrahierverstärker ist dann übersteuert.

Was den Eingangsspannungbereich angeht, so bist du in jedem Fall auf der 
sicheren Seite. Ausschlaggebend ist die Spannung, die du dem OPV an 
seinem (+) Eingang lieferst. 3.25V ... 3.75V gibt nach dem Spannungs- 
teiler R3:R4 noch 2.32V .. 2.68V, was ganz klar im common mode voltage 
range liegt. Der (-) Eingang des OPV wird unter normalen Betriebs- 
bedingungen (nicht übersteuert) dem (+) Eingang folgen, sieht also 
effektiv die gleiche Spannung.

von Joe F. (easylife)


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Zusammengefasst:
bei der jetzigen Verstärkung von 2.5 und 5V Versorgung kommst du bei 
Differenzspannungen < 0.1/2.5 = 40mV oder > 4.9/2.5 = 1.96V an die 
Grenze.
Unterhalb und oberhalb liefert der Opamp nicht das gewünschte Ergebnis.

von jey (Gast)


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Danke für die Antworten!

Joe F. schrieb:
> Ausserdem hast du eine Verstärkung von 2.5 eingestellt, bei einer max.
> Eingangsdifferenz von 3.75-1.25V ergäbe sich hier eine Ausgangsspannung
> von 6.25V -> geht mit 5V Versorgung nicht.

Die 1.25V sind nur theoretisch, in der Schaltung wird dieser Minimalwert 
aber nie erreicht, deswegen Verstärke ich mit 2.5 um trotzdem noch eine 
gute Aussteuerung zu bekommen...


Joe F. schrieb:
> Zusammengefasst:
> bei der jetzigen Verstärkung von 2.5 und 5V Versorgung kommst du bei
> Differenzspannungen < 0.1/2.5 = 40mV oder > 4.9/2.5 = 1.96V an die
> Grenze.
> Unterhalb und oberhalb liefert der Opamp nicht das gewünschte Ergebnis.

Verstanden.

Eine Sache ist mir aber immer noch nicht ganz klar:

Ich dachte bisher, das es eine theoretische Minimalgrenze gibt in Bezug 
auf die Differenzspannung, also in Bezug darauf wie groß die 
Spannungsdifferenz zwischen +Eingang und -Eingang sein darf, bzw. 
zwischen Ue1 und Ue2.

Ich habe euch aber nun so verstanden, das es eine solche Grenze garnicht 
gibt ;)
Wenn ich den OPV also symetrisch mit +-5V betreibe, und meine beiden 
Eingangsspannungen identisch sind (Ue1=Ue2) ich theoretisch tatsächlich 
auch 0V am Ausgang habe, korrekt?

Das das dann doch nicht wirklich der Fall sein wird, liegt dann nur noch 
an dem internen DC-Offset und nicht an einer generellen Grenze das OPVs 
bei identischer Eingangsspannung nicht 0V ausgeben können (wovon ich 
eben bisher ausgegangen bin)...

Grüße

von Axel S. (a-za-z0-9)


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jey schrieb:
> Ich dachte bisher, das es eine theoretische Minimalgrenze gibt in Bezug
> auf die Differenzspannung, also in Bezug darauf wie groß die
> Spannungsdifferenz zwischen +Eingang und -Eingang sein darf, bzw.
> zwischen Ue1 und Ue2.

Darf man fragen wie du darauf kommst?

> Ich habe euch aber nun so verstanden, das es eine solche Grenze garnicht
> gibt ;)

Richtig.

> Wenn ich den OPV also symetrisch mit +-5V betreibe, und meine beiden
> Eingangsspannungen identisch sind (Ue1=Ue2) ich theoretisch tatsächlich
> auch 0V am Ausgang habe, korrekt?

Nicht nur theoretisch. Auch praktisch. Du kannst für geeignete Eingangs- 
spannungen dann sogar eine negative Ausgangsspannung bekommen. Warum 
auch nicht? Die Gleichungen die das Verhalten der Schaltung beschreiben, 
gelten unabhängig vom Vorzeichen der Spannungsdifferenz.

> Das das dann doch nicht wirklich der Fall sein wird, liegt dann nur noch
> an dem internen DC-Offset

Auch die Offset-Spannung des OPV wird durch die Beschaltung des OPV nur 
noch mit Faktor 2.5 verstärkt. Das fällt dann nicht weiter ins Gewicht.

: Bearbeitet durch User
von jey (Gast)


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Axel Schwenke schrieb:
> Darf man fragen wie du darauf kommst?

Ehrlich gesagt ist es schon etwas her das ich mich mit den Parametern 
von OPVs im Differenzverstärker/Subtrahierer-Modus beschäftigt habe, 
damals muss ich da etwas falsch abgespeichert haben ;)

Hab dann eben im Datenblatt nach diesem Parameter gesucht und nix 
gefunden, hehe...

Danke für eure Antworten, jetzt weiß ich Bescheid...

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