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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik invertierender Verstärker und single Supply?


Autor: Bernd (Gast)
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Hi,
kann man mit einem invertierender Verstärker (Railt to Rail und Single 
Supply) eine negative Eingansspannung z.B. -1V invertieren?
OP wird als Standard invertierender Verstärker beschalten mit R1=R2.
Bekomme ich dann am Ausgang +1V?

Autor: Moi (Gast)
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Nein

Autor: Der Bimpf (Gast)
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Ich bin der Meinung, dass es geht. LTspice übrigens auch.

Autor: Bernd (Gast)
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Cool, Danke!
Funktioniert das auch in der Praxis oder nur in der Simulation?

Gruß

Autor: so nicht (Gast)
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Eine schlechte Loesung, denn der OpAmp muss die Differenzspannung 
zwischen den Eingaengen auf Null regeln, und wenn Null am Plus anliegt, 
ist der eegelbereich begrenzt. Man sollte ein paar mV weg von Null sein.

Autor: Der Bimpf (Gast)
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Nö, finde ich nicht. Für den LTC6081 ist die Common Mode Range V- bis 
V+. Das gilt auch für viele andere R2R Verstärker. Also alles in 
Ordnung. Bei 5V Versorgung und 1V Ausgangsspannung sollte auch ein LM324 
gehen.

Autor: yalu (Gast)
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Es geht, wenn der Eingangsspannungsbereich des OPV etwas unter die
negative Versorgungsspannung (0V) reicht und der OPV keine Phasenumkehr
hat. Ein LM324 bspw. hat Phasenumkehr, was bei schnellem Abfallen der
Eingangsspannung dazu führen kann, dass aus der Gegenkopplung eine
Mitkopplung wird und der Ausgang in der Nähe von 0V "einrastet", statt
eine positive Ausgangsspannung zu liefern..

Man kann diesen Effekt auch bei einem OPV mit Phasenumkehr dadurch
vermeiden, dass man eine Schottkydiode von GND zum invertierenden
Eingang legt und damit negative Eingangsspannungen am OPV begrenzt.

Ob der LT6081 Phasenumkehr hat, müsste man im Datenblatt nachschauen.

Autor: yalu (Gast)
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Gerade nachgesehen: Der LTC6081 hat MOSFET-Eingänge. Phasenunkehr gibt
es aber nur bei Eingängen mit Bipolartransistoren. Also funktioniert es
mit diesem OPV auch ohne die zusätzliche Diode.

Autor: Fritz (Gast)
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Was bitte verstehst du unter Phasenumkehr?

Autor: GB (Gast)
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Phasenumkehr:

Bei nichtinvertierenden Verstärkern:
Eingansspannung negativer als negative Versorgungsspannung ->  am 
Ausgang nicht mehr Null sondern max. Ausgangsspannung.

Bei invertiernden Verstärkern entsprechend umgekehrt.

Autor: Fritz (Gast)
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Dies tritt aber mit jedem OpAmp auf. Denn aufgrund parasitärer Effekte 
bildet jede Stufe eine Tiefpass, wodurch nach der zweiten Stufe eine 
Phasendrehung von 180° auftritt. Mit Mosfet-Eingängen tritt das genauso 
auf.

Mit einer Diode kann man da auch nichts erreichen, das bekkomt man nur 
durch eine Frequenzgangkompensation in den Griff.

Autor: yalu (Gast)
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Wenn eine der beiden Eingangsspannungen den Bereich zwischen negativer
und positiver Versorgungsspannung verlässt, kann es bei einigen
Operationsverstärkern passieren, dass an einem gewissen Punkt die
Ausgangsspannung vom einen Anschlag zum andern springt.

Beispiel: Legst du beim LM324 mit einer Versogungsspannung von +5V und
0V an den nichtinvertierenden Eingang U+ = 2,5V und an den
invertierenden Eingang U- = 0V, misst du am Ausgang die maximal mögliche
Spannung (etwa 3,5V). Das ist ok. Auch bei U- = -0,3V stimmt die
Ausgangsspannung noch. Wird U- jedoch negativer als etwa -0,7V (was
außerhalb der "Absolute Maximum Ratings" liegt), passieren zwei Dinge:

1. Es fließt ein hoher Strom aus dem Eingang heraus, der den OPV
   zerstören kann. Schaltet man den OPV als invertierenden Verstärker,
   wird dieser Strom jedoch durch den Widerstand am Eingang begrenzt, so
   dass dies kein Problem darstellt.

2. Die Ausgangsspannung springt vom Maximalwert auf den Minimalwert (0V
   bis 0,5V, je nach Belastung). Das ist die Phasenumkehr. Sobald man
   die Eingangsspannung wieder positiver macht, stimmt wieder alles.

Bei der invertierenden Verstärkerschaltung mit U+ = 0V merkt man von
diesem Effekt zunächst nichts, da U- automatisch ebenfalls auf 0V
geregelt wird und damit im zulässigen Bereich liegt. Fällt  aber die
Eingangsspannung der Schaltung sehr schnell in den negativen Bereich,
kann der OPV auf Grund seiner begrenzten Bandbreite nicht sofort
nachregeln, so dass U- ebenfalls negativ wird. Wegen der Phasenumkehr
springt jetzt aber der Ausgang auf 0V, so dass er U- über den
Gegenkopplungswiderstand nicht mehr "hochziehen" kann. Damit bleibt U-
negativ. Die Schaltung bleibt in diesem fehlerhaften Zustand, bis die
Eingangsspannung der Schaltung und damit U- wieder in die Nähe von 0V
gelangen, womit die Phasenumkehr wieder aufgehoben wird.

Ursache der Phasenumkehr ist die Anordnung der Eingangs- und der
Differenzverstärkertransistoren vieler (vor allem Single-Supply-)
Operationsverstärker, bei denen bei Eingangsspannungen unterhalb der
negativen Versogungsspannung die Kollektor-Basis-Dioden leitend werden.
Auch bei JFET-Operationsverstärkern kann ein ähnliches Problem
entstehen. Bei MOSFET-Eingängen tritt dieser Effekt normalerweise nicht
auf, da dort die Eingänge nie leitend sind.

Weitere Informationen: Google "Phasenumkehr" und "Phase Reversal"

Autor: yalu (Gast)
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> Dies tritt aber mit jedem OpAmp auf. Denn aufgrund parasitärer Effekte
> bildet jede Stufe eine Tiefpass, wodurch nach der zweiten Stufe eine
> Phasendrehung von 180° auftritt. Mit Mosfet-Eingängen tritt das
> genauso auf.

Die Phasenumkehr, um die es hier geht, ist ein statischer Effekt und hat
nichts mit Phasenverschiebungen bei hohen Frequenzen zu tun.

Autor: Fritz (Gast)
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Ok, jetzt weis ich, was du meinst. Der Effekt war mir bis jetzt nicht 
unter Phasenumkehr bekannt. Ich hab das bisher immer mit "Betrieb 
außerhalb der Spec" abgestempelt.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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'yalu' seine Ansätze/Beweise sind leider nur teilweise richtig.

Stimmen tut folgendes:
Da der LM324 bipolare Eingänge hat, fließt aus seinen Eingängen immer 
ein gewisser (wenn auch geringer) Bias-Strom, weswegen der 
Differenzverstärker einen ausgeprägt weiten Eingangs-Arbeitsbereich 
aufweist. Mit unipolaren Stromversorgungen kann man den LM324 an den 
Eingängen tatsächlich bis 0V hinab betreiben - aber hier liegt die Tücke 
im Detail: Das geht nur, wenn, wie z.B. beim LM324, die Eingangsstufe 
aus PNP-Transistoren besteht, was nicht zwangsläufig bei allen OpAmps 
mit bipolaren Eingängen der Fall ist.

Die absoluten Grenzwerte, wie im Datenblatt angegeben, sind natürlich 
immer einzuhalten, dies gilt insbesondere dann, wenn die Eingänge mit 
Schutzdioden versehen sind.

Und damit sind wir dann schon bei den OpAmps, die in den Eingängen 
MOSFETs besitzen und evtl. sogar komplett in MOS-Technologie hergestellt 
sind.
Dann sind (fast) immer (parasitäre) Schutzdioden am Eingang vorhanden, 
die die Eingangs-FETs vor zu hohen Gate-Source-Spannungen schützen 
(sollten). Sobald diese Dioden leitend werden, wird die Eingangsspannung 
auf zulässige Werte begrenzt - jedenfalls solange kein unzulässig hoher 
Strom fließt. In der invertierenden Ausführung des Verstärkers sind, wie 
'Yalu' auch richtig erwähnt hat, Widerstände mit im Spiel, die den 
(-)-Eingang vor zu hohen Strömen schützen. Der (+)-Eingang liegt eh 
schon auf GND und ist nicht kritisch. Dumm ist halt nur, das die OpAmps 
mit FET-Eingängen eher selten am Eingang auch Rail-to-Rail-fähig sind. 
Näheres dazu sollte man aber immer im Datenblatt nachschauen.

Das ganze hat nichts mit merkwürdigen 'dynamischen' Eigenschaften von 
OpAmps zu tun, sondern ist durch unterschiedliche Topologien (bipolar 
und MOS) sowie Schutzfunktionen erklärbar.

Resumée:
Das ganze wird funktionieren, wie es auch Spice (dank an 'Der Bimpf') 
korrekt simuliert hat.

Autor: yalu (Gast)
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Fritz schrieb:

> Der Effekt war mir bis jetzt nicht unter Phasenumkehr bekannt. Ich hab
> das bisher immer mit "Betrieb außerhalb der Spec" abgestempelt.

Natürlich sollte man den Operationsverstärker, wie jedes andere Bauteil
auch, innerhalb der Spezifikation betreiben. Nur ist es bei
Single-Supply- und Rail-to-Rail-Verstärkern, wo die Signalspannungen
naturgemäß nahe an den Versorgungsspannungen liegen, schaltungstechnisch
nicht immer leicht, auch kurze Über-/Unterschreitungen der
Versorgungsspannungen um die angegebenen 0,3V hundertprozentig
auszuschließen. Falls dieser Fall dann sporadisch doch eintreten sollte,
freut man sich natürlich, wenn der Verstärker trotzdem normal
weiterarbeitet und nicht in einen völlig fehlerhaften Zustand gerät.

Auch die Schutzdioden von CMOS-Schaltungen bräuchte man nicht, wenn die
Teile immer innerhalb ihrer Spezifikation betrieben werden. Trotzdem
zeigt bspw. Atmel in eine Appnote, wie man diese Dioden sogar als
funktionalen, praktisch ständig aktiven Bestandteil von Schaltungen
nutzen kann.

In beiden Fällen wird die Spezifikation - positiv gesprochen - "etwas
erweitert ausgelegt", was dann legitim ist, wenn man das Bauteil nicht
als Blackbox sieht, sondern sich auch über dessen Innenleben Gedanken
macht. Nicht umsonst ist bei vielen ICs (insbesondere auch bei
Operationsverstärkern) im Datenblatt ein Prinzipschaltbild enthalten.

Raimund Rabe schrieb:
> 'yalu' seine Ansätze/Beweise sind leider nur teilweise richtig.

Und welche Teile sind nicht richtig?

Autor: so nicht (Gast)
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Was man auch manchmal uebersieht : Es gibt ein Leben vor dem 
Einschalten. Kann es sein, dass die -1V anliegen, bevor der OpAmp 
gespeist wird ?

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