Elektrometer - Rückkopplung dimensionieren?

Hallo Helmi,

aha, dann gibt es also tatsächlich einige Gründe gegen eine hochohmige 
Rückkopplung.

Ich fasse mal für meine Schaltung zusammen.

Widerstandsrauschen:
Die Ausgangsschaltung meines OpAmps geht auf einen A/D-Wandler (in einem 
anderen Gerät), der den Wert mit maximal 1 kHz samplen wird. Sind diese 
1 kHz jetzt als Bandbreite in der Formel für's Widerstandsrauschen 
einzusetzen? Wenn ich das auf dieser Seite hier tue 
http://www.sengpielaudio.com/Rechner-rauschen.htm , dann bleibe ich 
selbst bei einem Widerstand von 5 MOhm mit meiner Rauschspannung unter 
10 µV! (Die werden aber natürlich noch durch meinen OpAmp verstärkt.)

Eingangsströme:
Der L272 zum Beispiel hat lt. Datenblatt einen Eingangswiderstand von > 
500 kOhm. Mal angenommen, ich möchte den Eingang bis 5V ansteuern, der 
Ausgang liefert bis 10V (v=2). Dann muss meine Rückkopplung also einen 
Strom von I_in = 10 µA liefern können. Macht einen maximalen Widerstand 
R2 (Indizes klassisch nach v  = 1 + R2/R1) von ebenfalls 500 kOhm, 
richtig? Und der Widerstand R1 kann für diese Betrachtung beliebig hoch 
gewählt werden?

Leckströme, X-Talk etc.:
Tja, hier kann man wohl schwer Rechnen. Deshalb mal die Frage an die 
Theoretiker, die Ahnung von der Praxis haben - wie hoch kann ich denn 
meinen Widerstand bei der Rückkopplung nun auslegen? Oder wie gehe ich 
vor, wenn ich diesen Widerstand jetzt abschätzen möchte?

Grüße
Steffen

>Leckströme, X-Talk etc.:
>Tja, hier kann man wohl schwer Rechnen. Deshalb mal die Frage an die
>Theoretiker, die Ahnung von der Praxis haben - wie hoch kann ich denn
>meinen Widerstand bei der Rückkopplung nun auslegen? Oder wie gehe ich
>vor, wenn ich diesen Widerstand jetzt abschätzen möchte?

Das hängt von deinem Leiterkartenmaterial ab. In den Datenblättern zum 
Material sollte normalerweise eine Angabe zum Isolationswiderstand sein.
Auch hängt es davon ab ob die Platine Lötstopplack hat.

>Widerstandsrauschen:
>Die Ausgangsschaltung meines OpAmps geht auf einen A/D-Wandler (in einem
>anderen Gerät), der den Wert mit maximal 1 kHz samplen wird. Sind diese
>1 kHz jetzt als Bandbreite in der Formel für's Widerstandsrauschen
>einzusetzen? Wenn ich das auf dieser Seite hier tue
>http://www.sengpielaudio.com/Rechner-rauschen.htm , dann bleibe ich
>selbst bei einem Widerstand von 5 MOhm mit meiner Rauschspannung unter
>10 µV! (Die werden aber natürlich noch durch meinen OpAmp verstärkt.)

Da du mit 1Khz Samplen möchtest ist die höchste Signalfrequenz 500Hz.
Also sollte dein Signal vorher schon Bandbegrenzt sein auf 500Hz.
Das wäre dann deine Bandbreite für die obige berechnung.

>Eingangsströme:
>Der L272 zum Beispiel hat lt. Datenblatt einen Eingangswiderstand von >
>500 kOhm. Mal angenommen, ich möchte den Eingang bis 5V ansteuern, der
>Ausgang liefert bis 10V (v=2). Dann muss meine Rückkopplung also einen
>Strom von I_in = 10 µA liefern können. Macht einen maximalen Widerstand
>R2 (Indizes klassisch nach v  = 1 + R2/R1) von ebenfalls 500 kOhm,
>richtig? Und der Widerstand R1 kann für diese Betrachtung beliebig hoch
>gewählt werden?


Der Input Biasstrom ist hier massgebend.
Der beträgt beim L272 max. 2.5uA. Dieser Strom bewirkt am 
Gegenkopplungswiderstand einen Spannungsabfall was sich als zusätzliche 
Ausgangsspannung auswirkt.

Wenn du nun einen Verstärker mit aufbauen willst und du am Eingang 0 V 
anlegst und der Rückkopplungswiderstand 1Mohm ist dann liegt dein 
Ausgang bei 2.5uA * 1MOhm = 2.5V.

Gruss Helmi

Hallo Helmi,

ich möchte nicht soweit gehen, sogar das Leiterkartenmaterial in meine 
Rechnung mit einfließen zu lassen. Denn falls ich so genau werden 
wollte, wäre das weitaus größere Problem sowieso das erwähnte externe 
Gerät, dass meine Ausgangsspannung sampelt. Wie es dort mit dem Material 
aussieht oder gar wie die Zuleitungen sind, kann ich nicht abschätzen. 
Ich kann doch aber davon ausgehen, dass diese Effekte eh nur eine 
Auswirkung im µV-Bereich haben, oder?

Der Biasstrom ist also der Strom, der in den Eingang hineinfließt. Und 
der verursacht mir an solch hohen Widerständen natürlich einen 
Spannungsabfall. Kann ich diesen Spannungsabfall, also im Beispiel die 
2,5V, über eine Offsetkorrektur abgleichen?

Grüße
Steffen

>Der Biasstrom ist also der Strom, der in den Eingang hineinfließt. Und
>der verursacht mir an solch hohen Widerständen natürlich einen
>Spannungsabfall. Kann ich diesen Spannungsabfall, also im Beispiel die
>2,5V, über eine Offsetkorrektur abgleichen?

Schlecht , die sind auch noch Temperaturabhängig.
Besser wäre es einen besseren OP zu verwenden der kleinere Biasströme 
hat.
Warum verwendest du denn den L272 ? Das ist eher ein OP der Leistung 
erzeugen kann weniger ein OP für Messtechnische Anwendungen.

z.B. hat ein TL082 einen Biasstrom von nur 400pA !

Wenn es nun der L272 sein muss dann must du die Widerstände ziemlich 
niederohmig dimensionieren.

Gruss Helmi

Ja, kannst Du. Wenn Du aber ein Elektrometer baust, wählst Du Deinen 
OpAmp aber sowieso nach sehr(!) hoher Eingangsimpedanz aus, also OpAmps 
mit FET-Eingang. Damit relativiert sich das Problem mit den Biasströmen 
wieder, da quasi nicht mehr vorhanden, Beispiel CA3140: 1.5TOhm, bzw. 
10pA Eingangsstrom. Hier kommt es dann wirklich auf einen vernünftigen 
Aufbau der gesamten Schaltung an. Andererseits spielt der 
Innenwiderstand der Gegenkopplung keine Rolle mehr bez. Offsetspannung 
und Du nimmst "handlebare" Werte um 10-100kOhm. Man muss ja nicht 
Problemsucher spielen, es reicht zu wissen, wo die Fallstricke sind.

Oh, dann würde ich mal sagen: Wer bietet weniger Eingangsstrom? :-)))

Für eine hohe Eingangsimpedanz der Anordnung solltest Du noch nach 
"Guardring" googeln.

AD549 mit max. 250 fA Biasstrom

http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/AD549.pdf

Gruss Helmi

@Helmi

AD515AL -> 75fA max. :-)

@Entwickler (Gast)

http://www.national.com/ds/LM/LMP7721.pdf


LMP7721  20fA

du bist wieder dran

Gruss Helmi

Ich zitiere: "The LMP7721 is the industry’s lowest guaranteed input bias 
current precision amplifier." Ein klares Statement... da kommt auch der 
INA116P nicht hin.

Nicht zu vergessen: Die Schaltung wird auch störempfindlicher, je größer 
die Widerstände. Elektromagnetische Einflüsse wirken sich höher aus.

Ok, das war ein kleiner Ausflug in die Welt der Bias-Ströme. 20 fA 
brauche ich nicht.

Was ich brauche ist ein OpAmp, der mir eine Last mit 100 mA treiben 
kann. Und weil ich das Bauteil bei Reichelt o.ä. kaufen möchte, muss es 
halt ein gängiger Typ sein. Bisher sprach ja auch noch nichts gegen den 
L272.

Wenn ich den Thread bis jetzt richtig verstanden habe, dann ist der 
eigentliche Faktor, der den Rückkopplungswiderstand begrenzt, der 
Bias-Strom?

Warum ist es besser, die Rückkopplung niederohmig auszuführen? Ich meine 
in Bezug auf den Temperaturdrift, was hat das damit zu tun? Der Drift 
ist doch bei niederohmigen Widerständen nicht geringer als bei 
hochohmigen. Nur der Absolutwert, aber der gleicht sich doch eh aus (v = 
1 + R2/R1).

Steffen

Hallo Helmi,

die Idee gefällt mir sehr gut. Aber kann die Sache denn wirklich so 
einfach sein? Ich meine, es kommt jetzt ein weiteres Bauteil hinzu, so 
dass sich alle negativen Eigenschaften vergrößern werden 
(Temperaturdrift, Offsetabweichung, etc.). Ist der TL082 so gut, dass 
man diese Dinge vernachlässigen kann?

Folgende Frage stellt sich mir nun noch: Mein Signal das in den OpAmp 
hineingeht hat selbst einen Offset. Wenn ich Deine zweiteilige Schaltung 
so aufbaue, wo mache ich dann zweckmäßigerweise die Offsetkompensation? 
Ich würde sagen im zweiten OpAmp (L272), weil ich sie dort genauer 
einstellen kann. Denn auch die Regelung der Offsetkompensation würde 
sonst ja durch den ersten OpAmp (TL082) verstärkt - und dadurch grober. 
Verstärkungsfaktor soll übrigens v~3 sein.

Steffen

Offsetkomensation macht man in der Regel nicht mehr. Einen passenen 
OpAmp einsetzen ist guenstiger.

Hallo

es geht darum, eine Spannung zwischen 0,00 bis 6,50 (Auflösung 10 mV) 
auszugeben. Der maximale Ausgangsstrom soll 100 mA betragen. Die 
Schaltung sieht schematisch so aus:

µC -> D/A-Wandler -> OpAmp

Und hier (Beitrag "DA-Wandler aussuchen/berechnen? Fragen!") habt ihr mir schon 
in Sachen D/A-Wandler ein großes Stück weitergeholfen.

Bei dieser Schaltungskonstellation ist natürlich unbedingt ein 
Offsetabgleich notwendig, da auch der D/A-Wandler einen solchen erzeugt. 
Ich wollte hierfür ein Widerstandsnetzwerk (siehe Anhang, entnommen aus 
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/opa2.htm) aufbauen. 
Die Widerstände der Abgleichschaltung sollten aber im Vergleich zu den 
Rückkopplungswiderständen niederohmig sein. Deshalb kam auch die Frage 
auf, wie hochohmig ich die Rückkopplung denn auslegen kann. Die Frage 
war aber auch zu einem großen Teil akademischer Natur.

Prinzipiell würde auch nichts gegen eine niederohmige Rückkopplung des 
L272 sprechen. Der OpAmp liefert genügend Strom und es handelt sich auch 
nicht um ein batteriebetriebenes Gerät.

Steffen

Eine wichtige Eigenschaft habe ich noch vergessen: Der D/A-Wandler 
arbeitet mit einer Referenzspannung von 2,048 V. Macht also eine 
Verstärkung von etwas über v=3.

Steffen

Hallo,
schau mal ob du bei dir in der Uni-Bibilothek das Buch:

Analoge Schaltungstechnik mit diskreten und integrierten Bauelementen
Autor: Herbert Bernstein
ISBN: 3778522965

bekommst. Dort sind solche sachen zumindestens teilweise beschrieben.
MFG
Peter

Hallo,

@Peter:
Danke für den Tipp! Ich hab mich auch schon ein bißchen in "OpAmps for 
everyone" eingelesen (focus.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf).

@Helmi:
Aha, verstehe, der TL082 -B- hat einen von den Abgleichwiderständen 
unabhängigen, festen Ausgangswiderstand. So ließe sich ja im Prinzip 
auch die von mir gepostete Schaltung erweitern, wenn man einen 
Spannungsfolger anschließt.

Ich benötige eine Offsetkompensation von +/- 25 mV. Ergibt bei mir die 
Widerstandskombination R4 = 100k und R5 = 210 Ohm. Mit 1% Toleranz habe 
ich eine (statische) Abweichung von +/- 1 mV. Passt!

Allerdings kann ich meine Versorgungsspannung nicht mit 1% Toleranz 
garantieren. Es sind wohl eher +/- 5%. Macht ~1,5 mV (dynamisch). Und 
die werden ja dann erst noch vom OpAmp verstärkt => ~4,5 mV! Da werde 
ich wohl eine Referenzspannungsquelle benötigen.

Wie reagiert eigentlich der OpAmp selbst auf Schwankungen in der 
Versorgungsspannung? Muss ich die Versorgung stabilisieren?

Kann ich den OpAmp eigentlich auch mit einer unsymmetrischen Spannung 
betreiben, beispielsweise V- = -5 V, V+ = +12 V?!

Steffen

Mich täte mal interessieren, was an den L272 überhaupt angeschlossen 
werden soll. Ist es eine Last, die gegen Masse geschaltet wird? Insofern 
könnte man den L272 durch einen Emitterfolger ersetzen. Die 
Gegenkopplung der ersten Stufe setzt dann natürlich am Ausgang an.

Hallo

@Entwickler:
Ja, die Last wird gegen Masse geschaltet. Wie die Last intern aufgebaut 
ist, weiß ich leider nicht (Blackbox). Aber schafft der Emitterfolger 
auch eine Last von 100 mA bei 6,5 V? Der Ausgangswiderstand ist doch 
eine 10 Ohm groß. Außerdem bin ich mir nicht ganz sicher, wie groß der 
Temperaturdrift des Transistors ist (trotz Gegenkopplung).

@Helmi:
Mein DAC hat eine interne Referenzspannungsquelle. Die ist zwar an einem 
Pin herausgeführt, aber ich bräuchte ja ohnehin neben der positiven auch 
eine negative Referenz. Die liefert mir der DAC natürlich nicht. Der von 
Dir vorgeschlagene LM385 (oder LM185) passt für diese Aufgabe aber sehr 
gut!

Wegen der Unsymmetrie: Ich brauche die negative Versorgung der OpAmps 
nur, weil sie nicht bis auf Masse herunterregeln können. Ich würde sonst 
nie echte 0,00 V am Ausgang erhalten. Die Verzerrung bei unsymmetrischer 
Versorgungsspannung kann ich deshalb ja außer acht lassen.

Soweit ist also alles im Klaren :-)

Eine Frage habe ich aber immernoch: Die Gleichtaktunterdrückung 
beschreibt doch das Verhalten des OpAmps bezüglich seiner Eingänge. 
Meine Frage ist aber, wie sich der OpAmp bezüglich der 
Versorgungsspannung verhält. Kannst Du mir das sagen?

Steffen

Eine Temperaturdrift des Transistors wird vollständig von der 
Gegenkopplung ausgeglichen. Bedenke: Ein OpAmp besteht auch aus 
Transistoren. Nur die Gegenkopplung macht aus einem OpAmp ein so 
"ideales" Bauteil. Und die 100mA sind ja quasi nix für einen Transistor. 
Deine Anwendung enthält keinerlei extreme Anforderungen. Das 
Elektrometer, wie Du es nennst, ist ein simpler DC-Verstärker. Wenn sich 
jetzt noch herausstellt, dass dein DAC einen einigermassen niedrigen 
Ausgangswiderstand besitzt (man die Ausgangsspannung quasi 
weiterverarbeiten darf), nimmst Du einen LM358 + BD135 mit V+ = 12V. V- 
läßt Du einfach ganz weg. Fertig.

Handelt es sich um eine dynamische Last? Hat die Last kapazitive 
Anteile? Dann ist Ärger vorprogrammiert.

@Entwickler:
Der Ausgangswiderstand ist meines DAC ist kleiner gleich 500 Ohm.

Wieso kann ich beim OpAmp V- weglassen (=auf Masse legen?)? Ist das 
wegen der BE-Spannung des Emitterfolgers? Dann müsste ich also den 
Offset meines vorgeschalteten OpAmps für die BE-Spannung (0,7 V) 
berechnen. Aber ist diese Spannung denn, falls ich sie einmal 
abgeglichen habe, auch wirklich konstant? Es geht immerhin um eine 
Genauigkeit von 10 mV. Und davon "verbraucht" der DAC ja auch ein paar 
mV. Wenn jetzt die BE-Spannung um ein paar weitere mV driftet...

Übrigens stelle ich meine Ausgangsspannung quasi statisch (f ~ 1 Hz). 
Insofern spielt die Kapazität meiner Last keine Rolle, sehe ich das 
richtig?

Kann ich anstelle des BD135 auch einen etwas leistungsschwächeren 
Transistor einsetzen? Der BD135 schafft zwar 12,5 W, ist dafür aber auch 
im SOT-32 Gehäuse. Den gewonnen Platz des wegfallenden L272 würde ich 
aber gerne besser ausnutzen... geht da jeder beliebige Transistor?

@Helmi:
Jetzt zeichnest Du statt des L272 ebenfalls einen Emitterfolger ein. Ist 
diese Schaltung denn wirklich so gut? Sorry für diese Frage, aber beim 
OpAmp kann ich einfach ins Datenblatt schauen und kenne seine 
Eigenschaftem. Einen Emitterfolger habe ich dagegen noch nie berechnet. 
Was mich in Deiner Zeichnung allerdings noch verwundert, ist, dass kein 
Emitterwiderstand vorkommt. Ist das richtig so?

Supply Voltage Rejection Ratio ist also die Abhängigkeit zur 
Versorgungsspannung. Die liegt beim Tl082C bei 70dB, also mehr als 
genug.

Ich verwende übrigens als DAC einen LTC1257 (siehe Datenblatt im 
Anhang). Es ist ein 12 Bit Wandler mit einer internen 
Referenzspannungsquelle von 2,048 V.

Steffen

P.s.: Deine Schaltung zum Erzeugen der negativen Referenz ist ja super!

>Jetzt zeichnest Du statt des L272 ebenfalls einen Emitterfolger ein. Ist
>diese Schaltung denn wirklich so gut? Sorry für diese Frage, aber beim
>OpAmp kann ich einfach ins Datenblatt schauen und kenne seine
>Eigenschaftem. Einen Emitterfolger habe ich dagegen noch nie berechnet.
>Was mich in Deiner Zeichnung allerdings noch verwundert, ist, dass kein
>Emitterwiderstand vorkommt. Ist das richtig so?

Ich wollte die nur zeigen was Entwickler meint.

Der Emitterwiderstand ist deine Last.
Der Transistor verstaerkt mit seiner Stromverstaerkung den Ausgangsstrom 
deines OPs. Da gibst sonst nicht viel zu rechnen. Ist halt nur ein 
Spannungsfolger.

>Übrigens stelle ich meine Ausgangsspannung quasi statisch (f ~ 1 Hz).
>Insofern spielt die Kapazität meiner Last keine Rolle, sehe ich das
>richtig?

Nein nicht so ganz. Wenn du an einem OP ein zu grosse Kapazitive Last 
anhaengst kann der OP schwingen. Stichwort Phasenreserve.
Das hat nichts damit zu tun welche Frequenzen du übertragen möchtest.

Gruss Helmi

Steffen,

der BD135 ist ein etwas "grösserer" Transistor, der Dir hilft, möglich 
Verlustleistungen einfacher in den Griff zu bekommen: Man kann einen 
kleinen Kühlkörper dranschrauben. Immerhin rechnen wir mit 100mA, evtl. 
auch bei sehr kleinen Ausgangsspannungen. In diesem Fall muss der 
Transistor (genauso wie ein L272) die überschüssige Spannung (12V) mit 
100mA in eine Verlustleistung von 1.2W umsetzen. Das kann ein kleinerer 
Baustein nicht ohne Kühlung.

Vorschlag: Baue einfach mal eine Schaltung auf und spiele ein wenig 
damit. Dann bekommst Du ein Gefühl für die Grössenordnungen, von denen 
wir sprechen.

Eine kapazitive Last führt zu einer Schwingneigung der Regelung. Ein 
Oszilloskop in der Nähe ist von Vorteil. Ob Deine Schaltung Probleme 
hat, kannst Du (wenn die Ausgangsspannung nicht eh schon schwingt) am 
Einschwingverhalten auf einen neuen Spannungswert erkennen. Wenn Dein 
Prozessor zyklisch zwei verschiedene Spannungen anfährt (z.B. 0V und 6V) 
läßt sich das Ganze schön überprüfen.

Was wird denn nun an den Ausgang drangehängt? Sollen Baugruppen bei 
unterschiedlichen Spannungen getestet werden?

Hallo

Wie hoch die Kapazität der Last genau werden kann, habe ich leider noch 
nicht gemessen. Man kann aber davon ausgehen, dass sie nicht besonders 
hoch ist (etwa im mittleren nF-Bereich).

>Vorschlag: Baue einfach mal eine Schaltung auf und spiele ein wenig
>damit. Dann bekommst Du ein Gefühl für die Grössenordnungen, von denen
>wir sprechen.

Ja, genau das werde ich jetzt tun! Passenderweise ist heute ja Sonntag.

Vielen Dank für Eure Antworten, Helmi und Entwickler! Eure Tipps haben 
mir ordentlich weitergeholfen! Zwischen meiner ersten Schaltungsidee und 
dem, wie sie jetzt aussieht, ist schon ein deutlicher Unterschied ;-)

Grüße
Steffen

Hallo nocheinmal,

leider hakt's nun doch wieder. Wie berechne ich denn die Werte Deines 
Offset-Abgleichs, Helmi? Ich hatte am Wochenende noch ganz naiv 
angenommen, der Poti ist die Spannungsquelle und ich könnte über die 
Ströme durch R4 und R5 den Spannungsabfall (= meine Offsetspannung) an 
R5 ausrechnen. Aber bei genauerer Betrachtung ergibt sich ja das Bild im 
Anhang (mit P_oben und P_unten als Poti)!

Hier (http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/opa2.htm , 
Bild 11, ganz nach unten scrollen) werden zwar Formeln angegeben, aber 
die kann ich nicht nachvollziehen. Bei der Berechnung des 
Innenwiderstands wird die Spannungsquelle (+Ub und -Ub) kurzgeschlossen. 
Aber wie berechnet sich denn R4?!

Steffen

Hallo Helmi,

das ist die von Dir vorgeschlagene Schaltung! Nur ohne eingezeichneten 
OpAmp, denn der ist so hochohmig, dass ich ihn hier vernachlässigen 
kann.

Aber zurück zur Berechnung. Wie muss ich denn da vorgehen? Du schreibst 
R2 nach der Offsetspannung berechnen. Das sollen bei mir +/- 20 mV 
werden. Aber wenn ich daraus jetzt R2 berechnen will, dann benötige ich 
den Strom I2. Und der setzt sich (in Reihe geschaltet mit R1) aus dem 
parallel liegenden "unteren" Teil des Potis zusammen. Das Poti ist aber 
auf +Ub und -Ub angeschlossen, I2 fließt dagegen nach Masse!

Wie berechne ich sowas?

Steffen

Hallo Helmi,

>Das hat schon seinen Grund warum da IC2B drin ist

Ja sicher, das habe ich auch verstanden. Nur ist IC2B irrelevant zur 
Berechnung der Widerstände R3,R4,R5. Und das war ja meine Frage.

Wieder zurück zur Frage. Da ist genau bei diesem Satz von Dir der 
Groschen gefallen:

>Die sollen sich [Anm: die max. Offsetspannung] einstellen wenn das Poti
>am Anschlag ist.

Und das ist genau der springende Punkt. Ich hatte ja versucht, das Poti 
als Spannungsteiler in die Rechnung mit einzubeziehen. Aber das brauche 
ich ja gar nicht, da die Widerstände für die Maximalspannung berechnet 
werden müssen. Und genau da fällt der Spannungsteiler schließlich weg 
(Endanschlag des Potis).

Ja Helmi, nochmals vielen Dank für die Aufklärung!
Steffen

Tja Steffen
da haben wir wohl etwas aneinander vorbeigeredet

Gruss Helmi