Stabilität OPV Schaltung

[stephan (Gast)]

ich steh gerade vor der Aufgabe einen PI-Regler in OP Schaltung zu 
dimensionieren (invertierend mit RC in der Rückkopplung)
Nun habe ich mal gehört dass eine OP Verstärkerschaltung keine 
Verstärkung kleiner 1 haben darf wegen Instabilität.
Frage1: warum wird so eine schaltung instabil ?
Frage2: Ich habe aber mehrere PI OP-Schaltungen gesehen mit Verstärkung 
(d.h. Proportionalanteil) << 1. Macht diese Schaltungsvariante eine 
Ausnahme ? Wenn ja, warum ?

Gruß Stephan

[yalu (Gast)]

Instabil wird ein Verstärker dann, wenn die Gegenkopplung auf Grund
einer Phasenverschiebung zur Mitkopplung wird.

Hohe Frequenzen führen zu einer größeren Phasenverschiebung als
niedrige, und eine niedrige Verstärkung erfordert eine stärkere
Gegenkopplung (höhere Schleifenverstärkung) als eine hohe. Bedingt
durch ihre hohe Leerlaufverstärkung neigen Operationsverstärker somit
bei niedriger Gesamtverstärkung zu Schwingungen auf hohen Frequenzen.

Man löst das Problem durch die Frequenzkompensation, bei der einfach
die Leerlaufverstärkung und damit die Schleifenverstärkung für höhere
Frequenzen reduziert wird. Damit wirkt sich bei kritischen Frequenzen
zur Mitkopplung mutierende Gegenkopplung nur noch schwach aus.

Die Frequenzkompensation erfolgt durch einen Tiefpass im
OPV, dessen Zeitkonstante bei vielen Typen mittels eines externen
Kondensators eingestellt werden kann. So kann man wählen zwischen
niedriger Mindestverstärkung und niedriger Grenzfrequenz oder hoher
Mindestverstärkung und hoher Grenzfrequenz.

Bei anderen OPVs ist die Zeitkonstante der Frequenzkompensation fest
eingestellt, damit hat auch die Mindestverstärkung einen festen Wert.
Der LM324 ist bspw. (auf Kosten der Grenzfrequenz) auf eine
Mindestverstärkung von 1 eingestellt. Es gibt aber auch OPVs, deren
feste Mindestverstärkung bspw. bei 10 liegt. Die sind dann zwar
schneller, aber man kann bspw. keinen Spannungfolger damit
realisieren.

Einen OPV auf eine Mindestverstärkung kleiner 1 einzustellen, ist
sinnlos, weil diese besser mit einem Spannungsteiler realisiert.
Brauchst du für deinen Regler eine per Poti einstellbare Verstärkung,
die zwischen einem Wert <1 und einem Wert >1 variiert, kombinierst du
am besten einen Spannungsteiler mit einem OPV, so dass dieser immer
eine Verstärkung >=1 hat.

[Stefan Salewski (Gast)]

>Nun habe ich mal gehört dass eine OP Verstärkerschaltung keine
>Verstärkung kleiner 1 haben darf wegen Instabilität.

Habe ich vor ganz langer Zeit auch mal irgendwo gelesen. Stimmt so aber 
nicht. Ein OP, der für Verstärkung 1 stabil ist, ist als invertierender 
Verstärker auch für Verstärkungen stabil, die betragsmäßig kleiner eins 
sind. (Es gibt auch OPs, die nur für große Verstärkungen stabil sind.)

Die Leute in den Newsgroups de.sci.electronics oder 
sci.electronics.design könnten Dir das sicher besser erklären.

@Einen OPV auf eine Mindestverstärkung kleiner 1 einzustellen, ist
@sinnlos,

Nicht immer. Ein einfacher Spannungsteiler ist vielleicht zu hochohmig, 
macht nicht die notwendige Invertierung...

[Michael (Gast)]

Hm...ein invertierender Verstärker hat auch bei Verstärkungen < 1 den 
Vorteil, dass der Ausgang sich wie eine Spannungsquelle verhält (Ri -> 
0). Das ist grade für Messverstärker interssant um Messbereiche 
anzupassen.

[yalu (Gast)]

> Ein OP, der für Verstärkung 1 stabil ist, ist als invertierender
> Verstärker auch für Verstärkungen stabil, die betragsmäßig kleiner
> eins sind.

Stimmt, da habe ich mich oben vertan :)

Ein vollständig kompensierter OPV ist so ausgelegt, dass der
Rückkopplungsfaktor kR maximal 1 sein darf. Für kR=1 ergibt sich beim
nichtinvertierenden Verstärker eine Verstärkung von 1, aber - und da
lag mein Denkfehler - beim invertierenden Verstärker eine Verstärkung
von 0. Die Verstärkung -1 erreicht man hingegen schon mit kR=0,5, was
noch ein Stück weit weg von 1 ist.

Damit sind bei einem vollständig kompensierten OPV tatsächlich alle
Verstärkungen von 0 bis zur negativen Leerlaufverstärkung des OPVs
möglich. Des Weiteren hat auch bei Teilkompensation der invertierende
Verstärker eine um 1 kleinere betragsmäßige Mindestverstärkung als der
nichtinvertierende.

Und da nun Verstärkungen <1 möglich sind, sollte man sie natürlich
dort, wo sie benötigt werden, auch nutzen ;-)

Danke für die Hinweise.