sehr hoher strom bei volldifferenziellem Instrumentenverstärker

[Benjamin B. (benbu)]

Hallo Leute,
Ich habe ein Sensorsignal, dass ich mit einer Referenzspannung 
vergleichen möchte. Das Ausgangssignal muss differentiell sein.
Ich habe im Netz diesen Volldifferentiellen Instrumentenverstärker 
gefunden und ihn wie im Bild aufgebaut.

RF1 = RF2 = 1k Ohm

RG = 0-10k Ohm (Trimmpoti)

Ich habe mein Netzteil im Strom auf maximal 200mA begrenzt, da ich 
ausgerechnet habe, dass der Stromverbrauch bei ca 100 mA liegen müsste 
und um die Schaltung zu schützen.
Die Schaltung bis zu der Verstärkerschaltung funktioniert gut 
(Referenzspannung, Sensor, Spannungsversorgung).

Aber sobald ich die OPVs anklemme zieht die Schaltng mehr als 200 mA. 
Wenn ich +Vs und  -Vs (also Versorgung der OPVs bzw +-8V) nicht 
anschließe bleibt alles ok. Sobald ich eine der Versorgungen anklemme 
(oder auch alle) scheine ich einen Kurzschluss zu haben, was nicht sein 
kann, da ich es mehrfach überprüft habe.

Ich habe die Schaltung mit den OPVs herstellen lassen, sodass ich nur an 
Pins ran muss und habe auch schon eine zweite genutzt um 
sicherzustellen, dass die Bauteile in Ordnung sind.

Ich verstehe nicht, warum die OPVs so viel Strom ziehen. Vielleicht kann 
mir das jemand erklären. Kann es mit dem Verstärkunsfaktor zu tun haben 
bzw. den Wiederständen, die ich verbaut habe?
Oder ist es ein Problem, dass beide OPV- Bauteile die gleiche 
Versorgunsspannung bekommen? Im Netz waren diese +-15V(OP2177) und +-5V 
(AD8476). Allerdings können beide nach dem Datenblatt +-8V.

Danke schon einmal für eure Hilfe.

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:

Siehe Bildformate.

> (oder auch alle) scheine ich einen Kurzschluss zu haben, was nicht sein
> kann, da ich es mehrfach überprüft habe.

Mag sein, ist aber trotzdem nicht sicher.

> Ich habe die Schaltung mit den OPVs herstellen lassen, sodass ich nur an
> Pins ran muss

Wie meinst du das? Hast du Angst vor den OPVs?

> und habe auch schon eine zweite genutzt um
> sicherzustellen, dass die Bauteile in Ordnung sind.

Das stellt das nur bedingt sicher.

> Ich verstehe nicht, warum die OPVs so viel Strom ziehen.

Weil ein Fehler in deinem Aufbau steckt. Möglicherweise ein Layoutfehler 
(Kurzschluß, falsche Pinzuordnung), Lötfehler (Brücke oder 
Unterbrechung) oder Bestückungsfehler (ICs verdreht). Prüfe das. Du 
kannst schrittweise den einen oder anderen IC entfernen und neu testen, 
siehe Fehlersuche.

> Oder ist es ein Problem, dass beide OPV- Bauteile die gleiche
> Versorgunsspannung bekommen?

Nein.

Zeig mal dein Layout und praktischen Aufbau.

[Falk B. (falk)]

Deine VCOM ist zu hochohmig, denn die hat intern nur 500k 
Eingangswiderstand. Die beiden 1M sollte man auf 10k verkleinern. 
Möglicherweise nimmt das der OPV übel und schwingt.

[Benjamin B. (benbu)]

Falk B. schrieb:
> Eingangswiderstand. Die beiden 1M sollte man auf 10k verkleinern.
Die 1M sind im IC direkt verbaut. Da komm ich nicht dran.

Da ich die Bauteile nur als SMD gefunden habe, diese auf eine Platine 
löten lassen und davon 3 Stück bestellt. Ich wollte diese dann Huckepack 
auf meine Platine setzen.  Ich eine zweite ausprobiert um eventuelle 
Fertigungsfehler auszuschließen.

Vielleicht habe ich ja wirklich einen fehler in der Schaltung. Aber ich 
kann ihn nicht finden. Die Bauteile sind auch richtig eingesetzt.

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Eingangswiderstand. Die beiden 1M sollte man auf 10k verkleinern.
> Die 1M sind im IC direkt verbaut. Da komm ich nicht dran.

AHHH, deswegen auch 500k ;-)

> Da ich die Bauteile nur als SMD gefunden habe, diese auf eine Platine
> löten lassen und davon 3 Stück bestellt. Ich wollte diese dann Huckepack
> auf meine Platine setzen.

Kann man machen.

>  Ich eine zweite ausprobiert um eventuelle
> Fertigungsfehler auszuschließen.
>

> Vielleicht habe ich ja wirklich einen fehler in der Schaltung.

Dein Schaltplan ist ziemlich häßlich und unleserlich. Der sollte so wie 
dein 1. Schaltplan aussehen, natürlich ohne die Widerstände im Inneren.
Deine Bauteile könnten auch gescheite Namen vertragen, IC1 und IC2 
klingen nicht schlecht. U$1 und U$2 sind die Standardnamen.

> Aber ich
> kann ihn nicht finden.

Suchet, so werdet ihr finden, sprach der Herr.

>Die Bauteile sind auch richtig eingesetzt.

Das nennt man bestückt. Sicherungen im Sicherungskasten werden 
eingesetzt.
Oder Karpfen im Teich ;-)

Nun ja, dein Layout ist schon "Interessant" ;-) Aber jeder muss ja mal 
anfangen. Aber die Mischung aus den SMD-Bauteilen, dazu noch als recht 
kleines MSOP bzw. TSSOP Gehäuse mit geradezu GIGANTISCH großen THT 
Widerständen hat schon was. So bissel Mad Max mäßig ;-)

Auf deiner Platine fehlen die Entkoppelkondensatoren. Auch denn deine 
Verstärker keinen 100MHz++ KillerOPVs sind, mögen die es vermutlich 
nicht, wenn die fehlen oder zu weit weg sind.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Kondensator#Entkoppelkondensator

Die kann man hier bedrahtet einigermaßen kurz an die Stiftleisten löten.

Nun ja, mein dioptringepeinigtes Auge sagt mir, daß Pin 7 bei U§2 nicht 
angeschlossen ist. Dort liegt aber -Vs. Hingegen ist Pin 6 
angeschlossen, was aber am Chip intern nicht verbunden ist (nc not 
connected).
Soviel zum Thema "und habe auch schon eine zweite genutzt um
sicherzustellen, dass die Bauteile in Ordnung sind."
Naja, die Bauteile sind schon in Ordnung, das Layout aber nicht. ;-)

[Achim S. (Gast)]

Zitate aus dem Datenblatt bzw user guide: Bypass capacitors should be 
connected as closely as possible to the device supply pins

It is very important that the power supply pins of the device under test 
(DUT) have a broadband decoupling circuitry.

die fehlen bei dir völlig. gut möglich, das deine Schaltung scheint. 
lässt sich ja einfach Mal nachmessen

[Achim S. (Gast)]

Achim S. schrieb:
> gut möglich, das deine Schaltung scheint.

ups: es sollte natürlich heißen "dass die Schaltung schwingt"

[100 mA? (Gast)]

Wie hast Du die 100 mA Stromverbrauch ausgerechnet?

[Falk B. (falk)]

So könnte das aussehen.

[Benjamin B. (benbu)]

Tatsächlich habe ich im Layout Mist gebaut. Dafür muss ich mich bei euch 
entschuldigen... dass ich so dusselig war und das vorher nicht gesehen 
habe. ... Entschuldigung.

Habe es nun korrekt verdrahtet und der Strom ist wie geplant knapp unter 
100 mA. Danke schon mal.
Habe auch die Kondensatoren eingebaut.

Die Schaltung funktioniert jetzt schon ganz gut. es gibt nur noch zwei 
Probleme.
1. Meine Verstärkung ändert sich nicht. Egal wie ich das Poti drehe. 
Woran liegt das nun wieder. In dem Vorgeschlagenen Schaltplan wurden 
alle drei Pins des Potis genutzt ich habe nur zwei genutzt, da sich der 
Widerstand ja einfach nur ändern soll. Ist das falsch? Ist das die 
Ursache? Habe am Poti selbst gemessen und dort ändert sich der 
Widerstand so wie es sein sollte. Also habe ich schon mal die beiden 
richtigen Pins angeschlossen ;)

2. Ich habe auch einen Offset von 0,4 V am Ausgang, obwohl die Eingänge 
gleich sind und somit 0V herauskommen sollten.

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:
> Tatsächlich habe ich im Layout Mist gebaut. Dafür muss ich mich bei euch
> entschuldigen...

Warum? Ist doch dein Layout und dein Problem. UNS sind dadurch doch 
keinerlei Nachteile entstanden.

> dass ich so dusselig war und das vorher nicht gesehen
> habe. ... Entschuldigung.

Fehler passieren, gerade am Anfang. So what! Entscheidend ist der Umgang 
damit.

> Habe es nun korrekt verdrahtet und der Strom ist wie geplant knapp unter
> 100 mA. Danke schon mal.
> Habe auch die Kondensatoren eingebaut.

Schön zu hören.

> Die Schaltung funktioniert jetzt schon ganz gut. es gibt nur noch zwei
> Probleme.
> 1. Meine Verstärkung ändert sich nicht. Egal wie ich das Poti drehe.
> Woran liegt das nun wieder. In dem Vorgeschlagenen Schaltplan wurden
> alle drei Pins des Potis genutzt ich habe nur zwei genutzt, da sich der
> Widerstand ja einfach nur ändern soll. Ist das falsch?

Nein, das paßt schon so. Ist eher eine Geschmacksfrage.

> 2. Ich habe auch einen Offset von 0,4 V am Ausgang, obwohl die Eingänge
> gleich sind und somit 0V herauskommen sollten.

Was für einen Offset? Als Differenzspannung zwischen den beiden 
Ausgängen oder jeder Ausgang gegen GND? Wie ist dein Eingang beschaltet? 
Sind die beiden Eingänge nur verbunden oder auch gleichzeitig mit Masse 
verbunden?
Miss an den Zwischenpunkten, sprich, den Ausgängen von IC1.

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:
> 1. Meine Verstärkung ändert sich nicht. Egal wie ich das Poti drehe.
> Woran liegt das nun wieder.

In deinem Schaltplan fehlen die Bauteilewerte. Wie groß sind deine 
Widerstände und das Poti? Welcher Verstärkung soll da rauskommen?

[Benjamin B. (benbu)]

Falk B. schrieb:

> Was für einen Offset? Als Differenzspannung zwischen den beiden
> Ausgängen oder jeder Ausgang gegen GND? Wie ist dein Eingang beschaltet?
> Sind die beiden Eingänge nur verbunden oder auch gleichzeitig mit Masse
> verbunden?

Also der Plan ist am differenziellen Ausgang, also zwischen beiden 
Ausgängen, die Spannung abzugreifen. Dort habe ich einen Offset von 0,4 
V (Zwischen dem Ausgang und dem Invertierten Ausgang).

Meine Eingänge sind zum einen ein Spannungsteiler (Poti) mit dem ich die 
Referenzspannung einstellen kann, da der Sensor einen Nullpunkt von ca. 
1 Volt hat und um diesen misst.
Der Zweite Eingang ist dann auch schon der Sensor.
Ich habe vorher die Spannung Zwischen Sensor und Poti abgeglichen. Das 
bedeutet, dass Sensor und Poti die gleiche Spannung haben sollten.

> Miss an den Zwischenpunkten, sprich, den Ausgängen von IC1.
Dort sind es schon ca.0,4V .
Dann muss der Fehler ja schon im IC1 liegen.

>In deinem Schaltplan fehlen die Bauteilewerte. Wie groß sind deine
>Widerstände und das Poti? Welcher Verstärkung soll da rauskommen?

Die Widerstände sind Metallschichtwiderstände.
Wie in meinem ersten Bild:

RF1=RF2=1 kOhm

RG=10 kOhm (Poti)

Die Verstärkung sollte möglichst klein sein. Aber noch einstellbar. Also 
zwischen 1,2 und 3.

Danke für deine Hilfe

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:

> Meine Eingänge sind zum einen ein Spannungsteiler (Poti) mit dem ich die
> Referenzspannung einstellen kann, da der Sensor einen Nullpunkt von ca.
> 1 Volt hat und um diesen misst.
> Der Zweite Eingang ist dann auch schon der Sensor.
> Ich habe vorher die Spannung Zwischen Sensor und Poti abgeglichen. Das
> bedeutet, dass Sensor und Poti die gleiche Spannung haben sollten.

Sollten? Das muss man MESSEN! Ist doch nicht schwer. Differentielle 
Eingangsspannung und Ausgangsspannung. Nicht "glauben", daß irgendwas 
irgendwie ist! Du musst es WISSEN!

>> Miss an den Zwischenpunkten, sprich, den Ausgängen von IC1.
> Dort sind es schon ca.0,4V .
> Dann muss der Fehler ja schon im IC1 liegen.

Scheint so. Welche Schritte hast du zur Fehlersuche unternommen?

[Falk B. (falk)]

Das kreisende Auge des Falk(en) sieht schon wieder einen Fehler. Die 
Anordung der Pins 5-8 ist bei U$2 gespiegelt. So wird das nix . . .
Pins 5 und 8 musst du tauschen. Leiterbahnen mit scharfem Skalpell, 
Teppichmesser oder Dremel auftrennen und mit Fädeldraht neu verdrahten.

[Benjamin B. (benbu)]

Falk B. schrieb:
> Das kreisende Auge des Falk(en) sieht schon wieder einen Fehler. Die
> Anordung der Pins 5-8 ist bei U$2 gespiegelt. So wird das nix . . .
> Pins 5 und 8 musst du tauschen. Leiterbahnen mit scharfem Skalpell,
> Teppichmesser oder Dremel auftrennen und mit Fädeldraht neu verdrahten.

Danke. Das hatte ich dann vorhin auch schon gesehn und geändert.

Vielleicht habe ich mich nicht gut formuliert. Natürlich habe ich die 
Spannungen gemessen und die sind idetisch.

Ich habe noch einmal nachgerechnet. Bekommen ich durch die internen 1M 
Ohm am IC2 nicht sogar einen Verstärkungsfaktor  < 1 ?
Ist das überhaupt zulässig?

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:
> Vielleicht habe ich mich nicht gut formuliert. Natürlich habe ich die
> Spannungen gemessen und die sind idetisch.

Na dann sollte man ja sehen, warum IC1 0,4V Offset macht. Wenn beide 
OPVs in IC1 die gleiche Spannung am +Eingang sehen, sollte auch die 
gleich Spannung an deren Ausgängen anliegen.

> Ich habe noch einmal nachgerechnet. Bekommen ich durch die internen 1M
> Ohm am IC2 nicht sogar einen Verstärkungsfaktor  < 1 ?

Nein. Die 1M sieht die Außenbeschaltung nicht, das ist nur intern für 
die Gleichtaktspannung der Ausgangsspannung von IC2.

[Benjamin B. (benbu)]

Falk B. schrieb:

> Na dann sollte man ja sehen, warum IC1 0,4V Offset macht. Wenn beide
> OPVs in IC1 die gleiche Spannung am +Eingang sehen, sollte auch die
> gleich Spannung an deren Ausgängen anliegen.

Ich habe mal Screenshots von der Messung gemacht InA zeigt in blau die 
Referenzspannung und in rot die Spannung nach dem ersten IC. Dort 
entsteht schon ein Offset.
InB zeigt den zweiten Eingang(Sensor,blau) hier entsteht kein 
Offset(Ausgang IC Rot).

Beide Messungen sind in Bezug zur Masse gemacht.

Könnte es an den Metallschichtwiderständen liegen? Ich hatte extra 
welche rausgemessen die den gleichen Widerstandwert hatten.

Das "Schwingen" scheint die Verstärkung einer Frequenz auf dem 
Eingangssignal zu sein. (Bild FFTB) Dort sind die gleichen Frequenzen 
vertreten.

[Benjamin B. (benbu)]

Ich habe gerade noch einmal die Eingänge vertauscht. InA verändert sich 
nicht. Egal wie die Eingangsspannung ist.
Hat jemand dazu eine Idee?

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:
> Ich habe mal Screenshots von der Messung gemacht InA zeigt in blau die
> Referenzspannung und in rot die Spannung nach dem ersten IC. Dort
> entsteht schon ein Offset.
> InB zeigt den zweiten Eingang(Sensor,blau) hier entsteht kein
> Offset(Ausgang IC Rot).

Und des schwingt fröhlich. Das ist nicht gut, da ist was faul.

> Könnte es an den Metallschichtwiderständen liegen?

Nein.

> Das "Schwingen"

Das ist kein "Schwingen", das schwingt wirklich! Der Verstärker ist 
instabil.

> Eingangssignal zu sein. (Bild FFTB) Dort sind die gleichen Frequenzen
> vertreten.

Dazu braucht es keine FFT, das sieht man so, ca. 4MHz. Das kann 
verschiedene Ursachen haben. Hast du die Entkoppelkondensatoren für V+ 
und V- angelötet? Alle Lötstellen mal kontrolliert. Das kann auch ein 
offene Pin oder kalte Lötstelle sein. Eigenlich ist der OP2177 eine 
recht gutmütiger Zeitgenosse und schwingt nicht so leicht. Hast du mal 
die Versorgungsspannungen am IC gemessen?

[Benjamin B. (benbu)]

Falk B. schrieb:

>  Hast du die Entkoppelkondensatoren für V+ und V- angelötet?
Ja hab ich. Direkt an die Stiftleistenpads, also möglichst nah am IC.
>  Alle Lötstellen mal kontrolliert. Das kann auch ein offene Pin oder kalte > 
Lötstelle sein.
Das hab ich auch gemacht.
>Hast du mal die Versorgungsspannungen am IC gemessen?

Auch die habe ich alle durchgemessen. Überall 8V an den Beinchen 
gemessen. (natürlich nur da wo es sein muss)
Auch die Anderen beinchen habe ich mal geprüft. Alle haben Kontakt. Ich 
prüfe es noch einmal

[Benjamin B. (benbu)]

Aber selbst wenn er schwingt. Warum hat der eine Ausgang von IC1 immer 
nur 0,4 V egal was davor anliegt. Dass kann doch nicht sein. Ich habe 
jetzt noch einmal alles durchgemessen.

Alle Beinchen haben Kontakt.

Auch die Widerstände und die Stiftleisten sind alle kontaktiert.

Die Versorgungsspannung ist stabil bei +-8V.

Kann der Fehler auch am IC2 (AD8476) liegen und der zieht mir den 
Ausgang des op2177 auf 0,4V runter?. Ich würde die ja mal trennen, aber 
Leiterbahnen lassen sich so schwer wieder zusammenziehen. :(

[Benjamin B. (benbu)]

Hab die Leiterbahn jetzt einfach mal bei einer Platine aufgetrennt. (hab 
ja drei)
Und schon passt die Spannung. das bedeutet der Eingang vom AD8476 
versaut mir das Signal.

[Benjamin B. (benbu)]

OK Jungs ich hab den Fehler gefunden. Tatsächlich war der Ausgang des 
OP2177 mit dem Ausgang des AD8476 verbunden.
Jetzt läuft es und schwingt auch nicht mehr.

Am Ende ist es eben wie immer: Wenn man es richtig macht funktioniert es 
plötzlich. Und der Fehler saß mal wieder vor der Platine. XD

Danke für die tatkräftige unterstützung bei der Fehlersuche. Ich denke 
ich habe einiges dabei gelernt.

Besondes Grußes Dankeschön an Falk B. !!!

[Falk B. (falk)]

Benjamin B. schrieb:
> OK Jungs ich hab den Fehler gefunden. Tatsächlich war der Ausgang des
> OP2177 mit dem Ausgang des AD8476 verbunden.

Layoutfehler oder Lötfehler? Daß die eine Pinreihe verdreht ist, habe 
ich dir ja schon vor einer Weile gesagt. Aber du sagtest, du hättes es 
korrigiert.

[Falk B. (falk)]

Aber irgendwas stimmt immer noch nicht. Entweder taugt dein Oszi oder 
dein Meßaufbau nichts, denn diese hochfrequente Schwingung auf dem 
Signal ist nicht OK. Da darf bestenfalls das Oszirauschen zu sehen sein.