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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPV für kurze Impulse (< 1µs)


Autor: Maik Ritter (kiamur)
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Hallo!

Ich möchte Rechteck-Impulse digitalisieren, die ca. 1µs lang sind. Mein 
ADC erwartet am Digitalisierungseingang eine Spannung von max.2Vp-p. 
Mein Signal hat aber 4Vp-p max. Also möchte ich das jetzt dämpfen.
Dazu habe ich (den Tip habe ich aus dem Forum) an mein Signal einen 
Trimmer dran, mit dem ich den gewünschten Spannungswert einstelle (=> 
2V), und dann einen OPV mit einer Verstärkung 1, damit der 
Spannungsteiler nicht (oder nur sehr wenig) belastet wird.

Leider habe ich keinen OPV parat, der es schafft die 1µs langen Impulse 
so zu verarbeiten, dass man am Ausgang wenigstens noch erahnen kann, was 
da mal reingegangen ist.

Zuerst habe ich einen TL084 benutzt. Der liefert mir statt eines 
Rechtecks aber nur Dreiecke, da die Slew Rate wohl nicht ausreicht 
(16V/µs). Jetzt habe ich einen LF357 eingebaut. Da sieht es schon besser 
aus (Slew Rate 50V/µs), aber erstens immer noch nicht gut genug und 
zweitens kann ich das Eingangssignal nicht auf 2V abschwächen, da ich 
dann gar keine vernünftigen Ausgangszustände mehr bekomme.

Könnt ihr mir vielleicht einen OPV Typ empfehlen, mit dem ich das 
Problem in den Griff bekomme? Oder gibt es vielleicht spezielle 
Schaltungen, die ich verwenden kann? Habe ich solche Problem, weil ich 
das ganze auf Lochraster aufgebaut habe und das bei diesen Frequenzen 
nicht mehr so gut ist?

Gruß
Maik

Autor: Düsentrieb (Gast)
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meine glaskugel is kaputt....

also: welcher ad-wandler? impedanz deiner quelle? sample-takt?
zweck des ganzen?

Autor: Sabb (Gast)
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Die meisten Hersteller haben eine Parametersuche, da kann man nach der 
Slewrate oder so sortieren. Die angegebenen Daten sind zu knapp was 
gescheites zu empfehlen. Fehlend : Speisung, Rail, Offset, ..

Autor: Christian (Guest) (Gast)
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Gedanke:
Ggf. einfach mit Schottky-di den Pegel limitieren
+ R zwecks Stromlimit

Autor: Maik Ritter (kiamur)
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Erst mal Danke für die Antworten . . .

@Düsentrieb:
Also, die Frage bezieht sich eigentlich nur auf den OPV. Bisher ist da 
noch gar kein ADC dran, weil ich ja erst versuche die entsprechenden 
Signale auf meinem Oszilloskop zu sehen.

@Sabb:
Sorry, das da noch was gefehlt hat. Letztendlich bin ich gerade erst am 
Anfang meines Projektes. Deswegeen sind Versorgungsspannungen noch sehr 
flexibel. Das Signal, welches durch den OPV geht hat 4V. Mit dem Trimmer 
geht es dann runter auf 2V. Den OPV will ich dann als Impedanzwandler 
nutzen.

Die beiden Typen, die ich oben erwähnt habe haben eine +-12V Versorgung 
dran. . .

Mit Rail kann ich leider noch nichts anfangen (ich bin schon froh, dass 
ich mittlerweile mit dem Begriff Slew Rate "angeben" kann . . . )

@Christian:

Werde auch diese Möglichkeit mal in Betracht ziehen. . .

Noch was: Ich habe einen seltsamen Effekt entdeckt, den ich mir nicht 
erklären kann:
Zuerst habe ich die beiden oben genannten Typen mal im nicht 
invertierenden Verstärkerbetrieb verglichen. Hatte für die beiden 
Widerstände (R1 und R2) ca.150K genommen. Ich hatte also eine 
Verstärkung von 2. Der TL084 ist mit meinem Impulssignal dann gar nicht 
klar gekommen, und hat nur das oben beschriebene Dreiecksignal 
ausgegeben. Der LF357 war da schon ganz OK, aber auch noch nicht ideal.

Jetzt habe ich beide mal im Impedanzwandlerbetrieb arbeiten lassen (also 
komplett ohne Widerstände) und plötzlich liefert der TL084 das bessere 
Signal (ehrlich gesagt sieht es sogar richtig gut aus), und der LF 
schwingt wie ein Irrer. Auch ohne Eingangsimpuls schwingt der LF mit 
einer Amplitude von 2-3V. Jedes Signal, das durch diesen Inpedanzwandler 
läuft ist somit völlig unbrauchbar. Was ist denn hier los?

Gruß
Maik

Autor: Matze (Gast)
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In der Regel sind AD wandler eigentlich ziehmlich hochohmig, so dass du 
keinen OP brauchst. Einfach ein Spannungsteiler aus zwei gleichen 
Widertständen (bsp.: 100k)

Aber genaueres kann man erst sagen wenn man den Eingangswiderstand des 
AD wandlers und den Ausgangswiderstand deiner Impulsquelle kennt.

Autor: Matthias (Gast)
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versuchs mal mit TLC272, der geht erfahrungsgemäß ziemlich gut. (hohes 
Bandbreitenprodukt, und große SlewRate)

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Auch wenn du noch nichts über die gewünschte Bandbreite sagen kannst, so 
gehe ich davon aus dass du so zwischen 10...100 MHz brauchen wirst, was 
in etwa auch zu deinem anderswo erwähnten ADC MAX1420 (12Bit 60Msps) 
passen dürfte.

Als leicht beschaffbare OPs kommen hier MAX4012, MAX4016, MAX477 oder 
der im MAX1420 Datenblatt erwähnte MAX4108. Wenn du nur einen 
Spannungsfolger brauchst käme ein MAX4178 in Frage.
Schau dir das DB nochmal genau an wie der ADC seine Eingangsbeschaltung 
haben möchte. Bei 12Bit 60Msps ist alles nicht mehr so ganz trivial.

>Effekte

Mach dir klar dass in diesem Frequenzbereich (und vor allem bei den 
hohen Widerständen) und je nach Aufbau du alle möglichen Effekte durch 
parasitären Cs und Ls (abrundung von Ekken, Schwingungsneigung) siehst.
Hier hilft halt nur Lernen der elemtaren Schaltungstheorie
(=> Vorlesungsskripts) sonst wirds ein mühsames und frustrierendes 
Stochern.

z.B. bei einem 100K vorwiderstand und 10pF Streukapazität (OP 
Eingangspin + Sockel + Leiterplatte) hast du schon einen Tiefpass von 
160KHz also nix mehr mit Rechteck, egal wie schnell dein OP hintendran 
ist.
Also niedriger Teilerwiderstände (wenn möglich) und 
Frequenzgangkompensation je nach Schaltungsvariante.

>Lochraster Aufbau
Durchaus möglich, aber du musst auch wissen was du tust. In dieser 
hinsicht wird es durch eine geruckte Schaltung aber von alleine auch 
nicht besser.
Als einfachset wichtigste Regel in diesem Frequenzbereich: Alle 
Leitungen so kurz wie irgend möglich.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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P.S:
Elementare OpAmp Beschaltungstheorie findest du hier:

Op Amps for Everyone Design Guide (Rev. B)
http://focus.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf

Op Amp Basics:
http://www.national.com/onlineseminar/2003/opamps_...

Autor: Maik Ritter (kiamur)
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Hallo an alle!

Vielen Dank für eure Tips!

@Matze:
Also der ADC hat einen Eingangswiderstand von 22K und eine 
Eingangskapazität von 4pF. Über den Ausgang der Signalquelle kann ich 
jetzt nichts genaues sagen. Da muss ich mal bei der Arbeit nachschauen, 
ob ich da überhaupt Infos drüber habe, da es ein Signal aus einem Gerät 
ist, das nicht herausgeführt wird, und deswegen wohl auch nicht im 
Datenblatt auftaucht.

@Kupfer Michi:
Ein extra Danke an dich für die Zusatzinfos!
Klar muss man Schaltungstheorie durcharbeiten. Aber am Besten lernt man 
(ich) es doch am konkreten Beispiel, wie ich jetzt merke. Es ist für 
mich nicht so einfach Dinge aus der Theorie in der Praxis auf Anhieb zu 
erkennen, wenn ich sie sehe (so nach dem Motto: "Ach ja, das ist wegen 
dem parasitären C"). Schön wär's, wenn ich das könnte. Aber mit euren 
Tips und Hinweisen, weiß ich dann wieder in welche Richtung ich 
weiterforschen muss.
Die Sache mit dem LF 357 leuchtet mir aber gar nicht ein. Warum der 
völlig ohne Eingangssignal (und leider ja auch mit) so ein heftiges 
Signal am Ausgang ausgibt . . .

Gruß
Maik


Autor: Düsentrieb (Gast)
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357: rtfm

...es steht da eben. Av > 5. bei weniger als 5x is er eben nicht stabil.
nochmal:
mit welcher sample rate willst du abtasten?
oder is das gaheim?

Autor: Dieter Werner (Gast)
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Hallo Maik,

wenn Du das Datenblatt des LF357 genau durchliest, wird Dir auffallen, 
dass dieser Typ nur für Verstärkungsfaktoren von >=5 geeignet ist.

Deshalb schwingt er bei Verstärkung 1 munter vor sich hin.

Hier jetzt die Zusammenhänge zu erklären ist mir zu viel Schreibarbeit.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Beim nachschauen vorhin bin ich noch über ein für mich neus OpAmp Buch 
gestolpert:

ADI - Analog Dialogue  Op Amp Applications Handbook
http://www.analog.com/library/analogDialogue/archi...

Auch sehr informative.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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>Klar muss man Schaltungstheorie durcharbeiten. Aber am Besten lernt man
(ich) es doch am konkreten Beispiel

Dito.
Das bedarf vieler Iterationsrunden zwischen Praxis und Theorie bevor 
sich das richtige Verständniss herauskristallisiert.

Autor: Maik Ritter (kiamur)
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@Düsentrieb:
>357: rtfm

>...es steht da eben. Av > 5. bei weniger als 5x is er eben nicht stabil.

Sorry, aber im bin halt so blöd auf die Welt gekommen, dass ich eben 
nicht weiß, was AV bedeutet . . . Wie gesagt, für mich ist das alles, 
vor allem die Praxis, noch Neuland. In den Datenblättern steht so 
vieles, was ich (noch) nicht verstehe. Aus deinem Mund hört sich das so 
an, als wenn das alles so klar wäre. Natürlich habe ich tfm gelesen. Ich 
verstehe halt nicht alles. Deswegen frage ich ja hier, und gebe mir alle 
Mühe meine Fragen so klar wie es mir möglich ist zu formulieren, so dass 
ihr seht, dass ich es auch alleine probiere, und nicht alles vorgekaut 
haben möchte. Die Samplerate wird 25MSps sein. . .

@Dieter Werner:

Hast du denn einen Tip, wo ich mir die Zusammenhänge mal selber erlesen 
könnte? Ich habe es (mit meiner theoretischen Vorbildung) nicht für 
möglich gehalten, dass es auch OP Amps gibt, die eine Mindestverstärkung 
haben müssen. Damit ist die Sache jetzt klar.

@Kupfer Michi

Der Link sieht ja ganz gut aus. Danke dafür!
(Bin mal gespannt, ob dort die ganzen Parameter der OPV Datenblätter 
erklärt werden . . . )

Gruß
Maik

P.S.: Sorry, wenn ich etwas pampig war . . . ;-)

Autor: Düsentrieb (Gast)
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>>Sorry, aber im bin halt so blöd auf die Welt gekommen
tja, ich auch.
kann mit lernen aber meist gebessert werden :-)

high speed ad-wandler verwenden...aber keine grundlagen 
kenntnisse...etwas seltsam.

wozu soll das ganze sein?

immerhin schreibste oben rechteck-impulse...
dazu braucht man keinen ad-wandler ...das versteh jetzt ich eben nicht!

Autor: Sabb (Gast)
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Maik,
der 357 laeuft nur bei einer Verstaerkung von groesser 5 stabil.
Bei National Semiconductors gibt es einige Application Notes ueber 
OpAmps.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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>ob dort die ganzen Parameter der OPV Datenblätter
erklärt werden

siehe auch Anhang

Autor: Maik Ritter (kiamur)
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@Sabb:

Danke für die Tips.

@Kupfer Michi :
Das Dokument ist großartig!!

Gruß
Maik

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Na, hier herrscht ja auch schon reger Betrieb - hatte ich garnicht 
mitbekommen :))

Eines will ich kurz loswerden:
Rechtecksignale mit einer Pulslänge von 1µs mit einem ADC zu messen 
halte ich ,gelinde gesagt, für unklug. Ich dachte, es geht eher um 
Videosignale oder sowas.

>Jetzt habe ich beide mal im Impedanzwandlerbetrieb arbeiten lassen (also komplett 
ohne Widerstände)

Heisst das, den invertierenden Eingang mit dem Ausgang verbunden und dem 
nichtinvertierten Eingang das Signal zugeführt, oder wirklich ohne 
Beschaltung des OPV?

Wenn es tatsächlich Rechtecksignale sind, und Du die messen willst, 
kannst Du einen MAX961 als Komparator vorschalten...

Autor: Maik Ritter (kiamur)
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>Rechtecksignale mit einer Pulslänge von 1µs mit einem ADC zu messen
>halte ich ,gelinde gesagt, für unklug. Ich dachte, es geht eher um
>Videosignale oder sowas.

Also, ich habe so etwas das Gefühl, dass ich mal etwas Licht ins Dunkel 
bringen muss. . .
Es IST ein sog. Video Signal (ehrlich gesagt weiss ich nicht, warum es 
so heißt). Es hat aber nichts mit "Video" zu tun, wie es im Volksmund 
gebraucht wird. Es werden also keine Bilder damit übertragen. . .

Ich möchte von meinem Videosignal die Amplitude herausbekommen, die 
Länge der Impulse und die Impulspausen. . . (<= alles in einem 
bestimmten rahmen variabel).
Für die Amplitudenbestimmung brauche ich doch schon einen ADC, oder 
nicht? Sie soll auch relativ genau sein. Das Signal ist natürlich nur 
annähernd ein Rechteck im Labor. In der Realität sieht das dann sicher 
noch schlimmer aus. Dafür möchte ich halt recht viele Samples von dem 
Signal haben, um dann 2 Impulse unterschiedlicher Amplitude 
auseinanderhalten zu können. Der "Unterschied" zwischen 2 
Amplitudenwerten sind in Originalsignal ca. 250mV. Das ganze muss ja 
dann noch an den ADC angepasst werden. Sind also nur noch 125mV. Dann 
sind die Signale wie gesagt auch nicht so 100%ig schön mit steigender 
Flanke, Amplitude und fallender Flanke, sondern (wie in der Realität 
halt üblich) etwas krumm. Deswegen möchte ich von den Impulsen mit 
meiner hohen Samplerate den linearen Bereich erwischen, um damit 
weiterzuarbeiten.

Gruß
Maik

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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aha,
dan willst Du doch nicht im Ernst mitm '084er oder einem '358er auf das 
Signal losgehen??!??

Was Du brauchst ist etweder einen Video-OPV mit V=1 oder aber das 
(nichtdokumentierte) Signal hat eine geringe Quellimpedanz und Du sparst 
Dir den OPV hinter dem Spannungsteiler und führst diesen entsprechend 
niederohmig aus.
Beispiel vom MAXIM (gibt noch andere Hersteller, klar)
http://para.maxim-ic.com/cache/en/results/39083.html



Weiterhin viel Erfolg

AxelR.

Autor: Maik Ritter (kiamur)
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Hallo Axel!

Vielen Dank für deine konstruktiven Tips!

Mensch, was es nicht alles gibt . . .
Wenn man mit so einem Projekt anfängt nimmt man halt erst mal das, was 
in der Schublade liegt.
Dein Vorschlag (MAX4200) sieht natürlich vom Datenblatt her sehr gut 
aus. Nur, ist der auch so leicht zu bekommen? Naja, werde mich dann halt 
wieder an MAXIM wenden, und schauen, ob ich den dort irgendwie bekomme.

Gruß
Maik

Autor: Dieter Werner (Gast)
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Ich möchte zu bedenken geben, dass zur Erfassung von 1µs Signalen eine 
Abtastrate von > 1MSamples/s nötig ist.

Die Weiterverarbeitung der digitalisierten Werte ist sicher auch nicht 
gerade trivial.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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>Nur, ist der auch so leicht zu bekommen?

MAXIM Bauteile sind idR. generell nicht zu beschaffen (vom MAX1811 mal 
abgesehen) :((

Du weisst ja nun, wonach Du suchen musst. Linear Technologies oder 
Ananlog Devices haben sicher auch was im Programm.

@Dieter
es stehen, glaube ich, 25MSs zur Verfügung

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Die oben aufgeführten Video OpAmps sind alle bei Reichelt erhältlich.

Wenn du dich für die Variante mit einem Av=+1 Buffer entscheidest, 
versuchs mit dem MAX4178, der hat zwar eine etwas geringer Bandbreite 
(250MHz bei +-2V) als der MAX4200, das dürfte aber locker für deine 
Anwendung reichen.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Bevor du dich auf die Bauteilsuche machst, solltest du dir erst 
ausrechnen welche Bandbreite du überhaupt brauchst.

Dazu musst du erst einmal wissen welche Bandbreite dein Eingangsrechteck 
hat. Besser brauchst du auf keinen Fall sein.

Eine eifach Abschätzung hierzu kannst du aus der Rise Time deines 
Rechtecks ableiten.

Da der ADC aber auch eine maximale Analogbandbreite an seinem Eingang 
hat (steht manchmal im DB), brauchst du auch nicht besser sein als 
diese.

Eine andere Abschätzung (unabhängig von der ADC Input Bandbreite) kannst 
du wie folgt machen:
25Msps = 40ns Sample Intervall, das legt deine Zeitliche Auflösung fest.

Willst du dass dein OpAmp deine Rechteckflanke in 40ns voll durchlaufen 
kann so brauchst du einen Bandbreite von ca
BW = 0.35/t.Rise  [1/µs] also BW = 8.75MHz = .35/0.04
(dies ist eine Näherungsformel die bei Oszis gerne verwendet wird)

Du brauchst als ein OpAmp der mindestens 10MHz schafft.
Wie man die benötigte Slew Rate dazu ausrechnet weisst du ja 
mittlerweile.
Da der OpAmp bei steilen Flanken eine gewisse Einschwingzeit auf x% 
Genauigkeit braucht musst du (in Abhängigkeit von deinen 
Genauigkeitsanforderungen) dann doch in der Regel zu einem OpAmp mit 
einer höheren Bandbreite greifen.

Aber mach dir gedanken was passiert (sprich was deine ADC Messwerte 
aussagen) wenn du dem ADC zu hohe Freq. anbietest.

Autor: Maik Ritter (kiamur)
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Hallo!

Ich muss schon sagen, dass ihr mit sehr guten Informationen rüber kommt!

Ich glaube ich habe ne ganze Menge gelernt mit diesem Thread.

Danke dafür!

Gruß
Maik

P.S.: Habe den MAX4200 mal bei MAXIM als Sample bestellt. Mal schauen, 
ob die den für mich raus rücken . . .

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