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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik nicht invertierender OP für DC-Verstärkung


Autor: Carsten (Gast)
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Hallo.

Ich tüftle gerade an einer OP-Schaltung, doch leider funktioniert diese 
nicht wie erwartet.
Dabei stellt sich mir folgende Frage:
Ist eine DC -Verstärkung überhaupt mit der "Schulbuchschaltung" eines 
nicht invertierenden Verstärkers möglich oder kann dies gar nicht 
funktionieren.

Zum besseren Verständnis die eigentlich zu realisierende Aufgabe: Ein 
Spannungsteiler liefert eine Spannung, diese soll durch eine 
OP-Schaltung verstärkt werden. Der Spannungsteiler liegt zwischen 
+/-Vcc, die gleiche symmetrische Spannung soll auch den OP versorgen. 
Die Ausgangsspanung soll dann zwischen dem Ausgang des OP und 
Zwischenabgriff der +/-Vcc erfolgen.

Autor: ... ... (docean) Benutzerseite
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schaltplan?

gew. Verstärkung?

Autor: Ich (Gast)
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Der "Zwischenabgriff der +/-Vcc" nennt sich Masse oder GND und ja, das 
funktioniert. Das Verhältnis der Widerstände (Ausgang OPV nach - Eingang 
OPV, - Eingang OPV nach Masse) bestimmt die Verstärkung. (Formel steht 
auch im Lehrbuch.)

Falls Du die 2 Widerstände vergessen hast funktioniert es nicht.

Autor: Jens G. (jensig)
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also wenn der "Zwischenabgriff der +/-Vcc" eine virtuelle Masse 
darstellen soll, dann darf die Last am Ausgang nicht zur groß werden, 
denn die virtuelle Masse ist etwas sehr weich (also nicht "stromfest").

Autor: Ich (Gast)
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Wieso "virtuelle Masse"? Das Ding zwischen +Ub und -Ub beim Netzteil ist 
ne richtige Masse. Er schreibt doch was von "symmetrische Spannung".

Autor: Jens G. (jensig)
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nun gut - ein Schaltbild wäre eben doch besser. Ich hatte es beim ersten 
mal durchlesen so aufgefaßt, daß der Zwischenabgriff was mit dem 
Spannungsteiler zu tun haben könnte. Aber wenn nicht, dann isses auch 
gut ;-)

Autor: Exe (Gast)
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Hi Ich
Sehr richtig.
Diese "virtuelle" oder reale Masse ist nur ein Zwischenzustand. Einer 
von vielen möglichen. Schulbuch-GND ist eben die "symmetrische" Masse. 
Basta.
Bei split-load mit Vcc/Vee wird der Op-Ausgang der Spannung am +Eingang 
symmetrisch folgen.
Mit Rgk = 0 bzw R_ = unendlich als reiner Spannungsfolger.
Mit dem angesprochenen Widerstandskombinat eben mit (1 + Rgk/R_).
Überschreitet die steuernde Spannung des Teilers am +Eingang über das 
Produkt Ue x Vu die rails Vcc oder Vee dann ist eben Feierabend.
Bei hoher Gleichspannungsverstärkung neigt der Op-ausgang freilich zum 
thermischen Wegdriften wo immer der Teiler (ausser rail-Betrieb) auch 
liegt.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Carsten wrote:
> Hallo.
>
> Ich tüftle gerade an einer OP-Schaltung, doch leider funktioniert diese
> nicht wie erwartet.

Dann beschreib bitte mal was daran NICHT wie erwartet funktioniert.

> Dabei stellt sich mir folgende Frage:
> Ist eine DC -Verstärkung überhaupt mit der "Schulbuchschaltung" eines
> nicht invertierenden Verstärkers möglich oder kann dies gar nicht
> funktionieren.

Doch. Da wie Du unten ausführst eine symmetrische Speisung erfolgt, 
ist's sogar einer der einfachen Fälle. Funktion kriegen wir also noch 
hin. ;-)

>
> Zum besseren Verständnis die eigentlich zu realisierende Aufgabe: Ein
> Spannungsteiler liefert eine Spannung, diese soll durch eine
> OP-Schaltung verstärkt werden.

Verstärkung wie hoch? Oder schlicht +1, also Buffer?

> Der Spannungsteiler liegt zwischen
> +/-Vcc, die gleiche symmetrische Spannung soll auch den OP versorgen.
> Die Ausgangsspanung soll dann zwischen dem Ausgang des OP und
> Zwischenabgriff der +/-Vcc erfolgen.

Das solltest Du bitte mal kurz skizzieren.
Normalfall ist: Abgriff zwischen OP-Ausgang und dem Mittelpunkt der sym. 
Speisung, kurz GND.

Also, Deine Skizze bitte hochladen.

Autor: Carsten (Gast)
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Hallo.
Sorry das ich erst jetzt antworte, hatte kurzfristig was anderes zu tun.
Da ich hier leider auf die Schnelle keine sinnvolle Software habe, habe 
ich das wichtigste kurz mit paint skizziert, hoffe es reicht als 
Sinnbild.

 Zur Erläuterung, auf der linken Seite der Schaltung (erkennbar am 
Strich quer durch die Schaltung) befindet sich eine Messwerterfassung 
die über eine MB-Umschaltung, den zu erfassenden Widerstand Rx, einem 
Impedanzwandler (soll Stromfluß in nachfolgende Stufe verringern) und 
einem nachgeschaltenem Spannungsteiler verfügt.
Über diesen Spannungsteiler wird dem rechten Teil der Schaltung das zu 
verstärkende Signal zugeführt. Die Verstärkung soll erstmal in etwa 15 
betragen. R1 ist dabei 10kohm, R2 beträgt 150kOhm.
Der Ausgang muss allerdings für nachfolgende Schaltungsteile gegen Masse 
abgenommen werden und sollte im Bereich 0 bis 5V liegen, zumindest habe 
ich nachfolgende Strecke so auslegen müssen.

Das Problem dabei ist, das sich der linke Schaltungsteil nicht ändern 
lässt.
Falls weitere Fragen sind, versuche ich sie natürlich gern zu 
beantworten.
Hoffe das mir jemand einen Denkanstoss liefern kann, was ich dabei 
falsch mache..

Autor: was-willst-du (Gast)
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Was macht es für einen Sinn, eine Spannung herunterzuteilen und dann 
wieder zu verstärken?

Autor: Jens G. (jensig)
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schalte doch mal die R's, die vor/hinter dem 2. OPV gegen -15V 
geschaltet sind, gegen Masse, und nicht gegen -15V. Sonst haste doch 
eine Gleichspannungsverschiebung dadurch am Eingang 2. OPV drin, die der 
2. OPV mit v=15 verstärkt - er hängt also sicherlich am Anschlag ...

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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@ Carsten:

Der R1 ist fehlerhaft angeschlossen (zumindest wenn Dein paint richtig 
abgezeichnet ist):

der R1 gehört nicht gegen -15V, sondern gegen Masse/GND.

Dto. der R im "nichtänderbaren Schaltungsteil".

Schau mal ob's das schon war und meld dich kurz wieder hier.

Andrew

Autor: Jens G. (jensig)
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eigentlich ist es ohnehin Mist, die Eingangsspannung von +/-15V ableiten 
zu wollen, und dann am Ausgang eine Massebezogene Spannung haben zu 
wollen (schwankungen der Betriebsspannung wirken sich dadurch aus).

Autor: Carsten (Gast)
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das mit dem R1 gegen Masse habe ich schon probiert, jedoch ohne Erfolg. 
funktioniert also auch nicht. den anderen vom 1:10 Teiler kann ich nicht 
gegen Masse legen, da diese gesamte Schaltungseinheit zwischen 30V 
liegen muss.

Die Betriebsspannug unterliegt im übrigen keinerlei Schwankungen.

Habt ihr sonst noch Anmerkungen oder Hinweise, nur her damit:-)
Bin für alle Ratschläge offen

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Hey Carsten,
deine Schaltung weist ganz schöne Mängel auf. Alle Teiler werden immer 
gegen über Masse angegeben und nicht auf -15V. Und deine 
Eingangsspannung darf nicht größer als ca. 6,25V sein!!! Sprich dein 
Eingangsteiler darf das Verhältnis 2:5 nicht unterschreiten. Warum das 
so ist, hab ich dir im Bild dargestellt.

Im schlimmsten Fall liegen 15V am Eingang (rot dargestellt) des 1.OPV 
an. Da dieser mit 15V betrieben wird, hängt der Ausgang in der 
Sättigung. Wichtig hierfür ist immer die Angabe "Output voltage swing" 
im Datenblatt. Typischerweise kann der Ausgang einen Wert von VDD+2,3V 
bis VCC-2,3V annehmen. Wenn du nen Rail-to-Rail nimmst, verringern sich 
die Werte auf 0,2 oder sogar Null. Angenommen der positive Output-Swing 
ist VCC-2,5V, dann hat dein Ausgang 12,5V. Dieser wird 1:10 geteilt und 
beträgt 1,25V am nächsten OPV-Eingang. Dieser hat die Verstärkung 16! 
(1+R2/R1) Macht theoretische 20V am Ausgang. Umsetzen kann er aber nur 
12,5V.

Wenn du nun rückwärts rechnest (siehe blau), dann sollte dein 
Ausgangssignal vielleicht 10V betragen. Macht bei einer Verstärkung von 
16 einen Eingangswert von 0,625V. Dieser wurde durch den 1:10 Teiler von 
6,25V runter geteilt.

Also darf dein Eingang nicht mehr als +6,25V sehen. Dies macht ein 
Teilerverhältnis von ca. 2:5!


Da du keine negativen Ausgangsspannung hast, benötigst du die negative 
Betriebsspannung theoretisch nicht. Warum kann man dennoch nicht ganz 
auf diese Verzichten und wie hoch muss diese mindestens sein?

Richtig: Dein minimales Ausgangssignal ist 0V. Der OpAmp kann aber nur 
bis zu seinem output swing arbeiten und würde deswegen statt auf 0V am 
Ausgang auf +2,00...+2,5V hängen. Gibst du ihm eine negative 
Betriebsspannung von mindestens -2,5V, dann kann er den Ausgang auf Null 
ziehen. Da du die -15V zur Verfügung hast und dein OpAmp hoffentlich den 
Spannungsbereich 30V zulässt, nimmst du natürlich die -15V.

Gruß Alex

Autor: Jens G. (jensig)
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dann beschalte den zweiten OPV als Differenzverstärker (Subtrahierer - 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Operations... 
).
Damit kannste sozusagen den (-15v)-bezogenen Eingangspegel zum 
Masse-bezogenen Ausgangspegel konvertieren.

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Wenn du wirklich nicht gegen Masse arbeitest, dann muss noch der 
Differenzverstärker rein, um das Ausgangssignal auf Massebezug zu holen.

Siehe Bild. Aber das Problem mit dem Output Swing bleibt natürlich, da 
die OpAmps nun mal nur zwischen ungefähr -12,7V und +12,7V den Ausgang 
treiben können.

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Sorry, falsches Bild.

Autor: Carsten (Gast)
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Hmm, versteh ich wohl noch nicht ganz.

Bei mir habe ich am Eingang des Spannungsfolgers 22,5V (bezogen auf 
-15V) und am Ausgang auch 22,5V (wieder auf -15V bezogen).Also 
funktioniert doch die Funktion des Spannungsfolgers soweit ganz gut!?
Laut Datenblatt habe ich einen Output-voltage-swing von +/-12V, beziehe 
ich das auf die -15V müsste es doch passen?

Autor: Jens G. (jensig)
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also wenn Du 22,5V hast (output Swing sollte ok sein soweit), dann haste 
2,25V nach dem 1:10 Teiler (alles gegen -15V).
So, erste Falle wäre, daß der 2. OPV vielleicht am Eingang nicht bis auf 
2,25V herunter das Signal sauber verwerten kann (wegen interner Limits - 
s. Datenblatt).
Zweite Falle ist dann die Verstärkung des zweiten OPV's (v=16). 2,25V*16 
macht doch über 30V. Da hängt doch der zweite OPV voll in der Sättigung. 
Das musste also nochmal durchrechnen ...

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Wenn du laut Datenblatt einen Output-Swing von +/-12V hast (bezogen auf 
+/-15V dann kommst du mit 22,5V gegen -15V mit einer Reserve 4,5V sehr 
gut hin. Das bedeutet aber auch, dass dein Eingangssignal nur im Bereich 
von 3 bis 27V liegen darf. Du willst doch einen unbekannten Widerstand 
Rx messen oder? Wenn dann musst du dir anhand der maximalen 
Eingangsspannung auch einen Bereich festlegen in dem Rx liegen darf.

Problem ist nur dein letzter Verstärker. Hier musst du einfach die 
Verstärkung so anpassen, dass du den maximalen Ausgangshub nicht 
überschreitest. Also mit R2= 100k und R1 = 10k hast du ne Verstärkung 
von G=+11 und dein Signal geht bis +24,75V.

Autor: Carsten (Gast)
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Uups, da habe ich euch wohl ne fehlerhafte Angabe gemacht.
sorry kommt davon wenn man mehrere Möglicheiten durchrechnet und sich 
seinen eigenen geschriebenen Mist nicht noch mal anschaut.
Der Teiler, den ich als 1:10 angab, ist ein 1:100 Teiler.

Den ominösen Widerstand Rx kann ich nicht beeinflussen, der kann von (im 
schlechtesten Falle) rund 0ohm bis über 50 MOhm liegen.
Das nur zur eurer info..

Autor: Jens G. (jensig)
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>ist ein 1:100 Teiler.
dann muß dein 2. OPV aber R2R-Eingänge haben (zumindest muß er praktisch 
noch 0V gegen -15V verarbeiten können). Was für'n OPV-Typ? Und mal 
nachmessen, ob die R's wirklich den R haben, den Du erwartest.

Aber nun erzähl mal, was das eigentlich heist -> " ... funktioniert 
nicht ..." Was haste wo womit gemessen?

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Mit 1:100 passt das schon. Nur der Eingang mit Rx von 0-50MOhm geht 
überhaupt nicht. Entweder hast du +15V anliegen oder irgendwas fast bei 
-15V. Beides kann dein Verstärker nicht. Was du brauchst ist ein 
Widerstandsnetzwerk.

Nimm einfach 3 Widerstände in Reihe. R1 an +15V, dann Rx und zum Schluss 
R2 gegen -15V. Den Abgriff machst du zwischen R1 und Rx.

Außerdem mach den R1 zum Umschalten auf nen anderen Wert.

Messbereich 1: Rx 0-1MOhm

Bei 0Ohm entfällt Rx und der Spannungsteiler muss nun bis zu folgenden 
Wert teilen:
--> R1 = 9*R2

Der oberste Wert von 1MOhm ergibt nun, wenn man für R1 = 9*R2 einsetzt:
--> Rx = 80*R2

Also R2 = 12,5kOhm und R1 = 112,5kOhm. Gegenrechnung: 0Ohm entspr.-12V 
(3V von 30) und 1MOhm entspr. +12V (27V von 30).

Für den Bereich 1Mohm bis 50Mohm schaltest du den R1 um. Da musst du dir 
noch einen Wert bestimmen.

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Eine bessere Dimensionierung wäre schon von Vorteil.

Ich hab mal eine Simulation gestartet für Rx von 0..1MOhm.

Für den 2.Messbereich muss man schon 10,5MOhm in den Teiler setzen. Ob 
das so sinnvoll ist!?

Zur Schaltung: Man kann den Teiler mit SW2 um den Faktor 50 erhöhen. 
(Messbereichsumschaltung). Nach dem Spannungsfolger ist der Teiler auf 
1:5 festgelegt. Anschließend kommt der nichtinvertierende Verstärker mit 
einer Verstärkung von 2 oder 10 (umschaltbar mittels SW1). Und am Ende 
der Differenzverstärker um die Spannungsdifferenz gegen Masse zu legen.

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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Jetzt noch Bild 2 mit Rx = 1MOhm

Autor: Carsten (Gast)
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Danke für die ausführliche Erklärung, besonders lippi hat sich ja voll 
reingehangen.
Mal schauen was am Ende draus wird, ich werd mich hier dann noch mal 
melden..

also, habt Dank!!!

Autor: Carsten (Gast)
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Hallo habe mal wieder etwas daran arbeiten können.
@lippi deine Gedankengänge waren wirklich gut, besonders die Idee mit 
dem Subtrahierer hat mir weiter geholfen und war das was ich suchte.

Was ich allerdings nicht verstehe, ist das du für den zweiten 
Messbereich einen Vorwiderstand von 10,5M angibst.
Wie hast du den berechnet, ich komme auf 9,11...MOhm.
Meine Gedanken dazu waren:
Nach der MB-Umschaltung möchte ich Widerstände von 1M bis ca.50M 
berechen. R2 bleibt ja gleich, da dieser nicht umgeschalten wird.
Die kleinste Spannung die über R2+Rx abfällt, darf nicht höher als 3V 
betragen. Einfacher Spannungsteiler und umstellen liefert dann obigen 
Wert.
Für Rx = 50M liege ich dann bei einer Mess-spannung von etwa 25V, also 
kleiner als 27V und damit im Bereich des Ausgangsspannungshubes des 
OP's.

Ist mein Gedankengang falsch und wie kommst du auf deinen angegebenen 
Wert, wäre interessant zu wissen...

Autor: Alexander Liebhold (lippi2000)
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10Meg sollten stimmen, hab das so diemensioniert, dass bei 50Meg wieder 
25V am Teiler sind.

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