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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Warum geht die Verstärker-Schaltung nicht?


Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Hallo,
im Anhang ist ein Bild von einer Verstärkerschaltung eines 
US-Empfängers. Leider verstärkt sie nicht wirklich, Hardware-Defekt habe 
ich denke ich ausgeschlossen.
Also kann mir jemand sagen, warum die Schaltung nicht funktioniert?
Das Mic ist ein Ultraschall Receiver Micro mit 40kHz Nennfrequenz. Vcc 
ist 5V.

Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

ich denke, das liegt daran, dass wegen R4 >> R3 nahezu der gesamte 
Eingangsstrom über R3 gegen Masse fließt.

Simuliere die Schaltung doch am besten einmal mit LTSpice. Dann mußt Du 
bei der Dimensionierung nicht raten.
http://www.linear.com/designtools/software/#Spice

Gruß,
  Michael

Autor: Ulrich (Gast)
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Der TL071 braicht mehr als 5 V Versorgung. Bei 40 Khz hat man auch nur 
noch eine etwa 50 fache Verstärkung, mehr gibt das 
Verstärkungs-bandbreite Produkt nicht her. Entsprechend kann man auch 
nicht mehr Verstärkung erwarten. Die Rückkopplung ist für 40 kHz auch 
schon etwas hochohmig, könnte bei gutem Layout aber gerade noch gehen.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Michael wrote:
> Hallo,
>
> ich denke, das liegt daran, dass wegen R4 >> R3 nahezu der gesamte
> Eingangsstrom über R3 gegen Masse fließt.
Öhhh... Joa ne, also ich habe davon keine Ahung, aber habe das so 
verstanden, dass das Mic die 10k Pullup braucht. Danach wird der ganze 
Krempel ja entkoppelt und der R4 und alles das da nach unten weg geht 
soll dann den Pegel auf 2,5V ziehen statt auf 0, da da ja auch negative 
Signale rauskommen und ich die nicht Verstärken kann.

> Simuliere die Schaltung doch am besten einmal mit LTSpice. Dann mußt Du
> bei der Dimensionierung nicht raten.
> http://www.linear.com/designtools/software/#Spice
Öhh joa... arbeiten inner UNI mit PSpice, blick das Programm aber noch 
nicht so wirklich, ich finde es verdammt unübersichtlich, unlogisch und 
wenig bis garnicht intuitiv. Ist das LTSpice besser?


> Bei 40 Khz hat man auch nur noch eine etwa 50 fache Verstärkung...
Liegt das jetzt daran, dass ich nur 5V habe oder daran, dass es 40Khz 
sind? Also wie könnte ich das verbessern, hatte eigentlich was von bis 
zu 1000-fach gehofft :(

> ...Rückkopplung...
Rückkopplung? Wie gesagt, ich = 0 Plan ;) Um welche Bauteile handelt es 
sich dabei? Den Krempel der an den Pins 1 und 2 hängt?


Edit: Ach ja, ich glaube das hier war das Original: 
http://www.knollep.de/Hobbyelektronik/projekte/43/sch.htm

Autor: Oliver (Gast)
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Öhh joa... Kiste ausschalten und ein Buch über öhh joa... Elektrotechnik 
lesen.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Hab aber nur bis Montag Zeit das Teil feritg zu bekommen :) Und die 
Hardware ist das geringste Problem ;)

Autor: holger (Gast)
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>Hab aber nur bis Montag Zeit das Teil feritg zu bekommen :) Und die
>Hardware ist das geringste Problem ;)

Dann hast du jetzt echt Schei..e an den Hacken.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Joa und wie bekomm ich die wieder ab?

Autor: Analogfuzzi (Gast)
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>> Bei 40 Khz hat man auch nur noch eine etwa 50 fache Verstärkung...
> Liegt das jetzt daran, dass ich nur 5V habe oder daran, dass es 40Khz
> sind? Also wie könnte ich das verbessern, hatte eigentlich was von bis
> zu 1000-fach gehofft :(

Das liegt eher an den 40kHz.
Am Zeitdauer-Bandbreite-Produkt kannste nix drehen, da ist so wie's ist. 
Läßt sich auch irgendwie beweisen. Ganz fundamental-mathematisch.

Autor: peter-neu-ulm (Gast)
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Bei US-Sachen gibt es meistens einen Sendeimpuls, und anschließend ein 
schwaches Echosignal.

Hier übersteuert der zunächst eintreffende Sendeimpuls den OP-Amp total.
Das RC-Glied mit 200 kOhm und dem Koppel-C lässt dann die Spannung am 
Eingang viel zu langsam aus der Begrenzung zurückgehen.

Mach erst mal den Widerstnd von 200 kOhm deutlich niedriger, dann kommt 
der Op-Amp schneller aus der Übersteuerung zurück. 22kOhm reicht 
vielleicht.

Auch die Gegenkopplung mit 180 kOhm ist etwas groß, vielleicht gehts mit 
51 kOhm besser.

Bei ordentlicher Arbeit, ohne Übersteuerung müsste hier der Ausgang ja 
VCC/2 haben.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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peter-neu-ulm wrote:
> Bei ordentlicher Arbeit, ohne Übersteuerung müsste hier der Ausgang ja
> VCC/2 haben.
Joa ok... so ganz verstehe ich das ja noch nicht. Ist das denn alles 
richtig so, dass das Signal am Eingang auf 2,5V gezogen wird? Nicht, 
dass er dann die 2,5V verstärkt und immer auf höchst möglichem Pegel 
liegt.

Werde dann wohl mal den Lötkolben anwerfen...

Autor: holger (Gast)
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>>>ich = 0 Plan
>>Dann hast du jetzt echt Schei..e an den Hacken.
>Joa und wie bekomm ich die wieder ab?

Bis Montag? Da bleibt sie wohl wo sie ist.

Kleiner Tip:
Man kann mehrere OPs mit kleiner Verstärkung
hintereinander schalten um so zu einer
großen Verstärkung bei gegebener Frequenz zu kommen.
Der TL072 hat ja auch zwei OPs im Gehäuse.

Nimm für den TL072 mal besser 12V für VCC.

Autor: peter-neu-ulm (Gast)
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Auch die 100 nF sind etwas groß, mache sie so klein, das die 
Grenzfrequenz des C  mit den 22kOhm bei etwa 30 kHz liegt.
Auch der 1 uF-Kondensator ist etwas zu groß, lege auch da die 
Grenzfrquenz von Poti-R (1o kOhm) und C auf etwa 30 kHz, also knapp 
unter die 40 kHz.

dann erholt sich der OP-Amp-Eingang schneller von der Übersteuerung.

(sorry, hab eben statt "Vorschau" "Absenden" getippt.)

Autor: HildeK (Gast)
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>> ich denke, das liegt daran, dass wegen R4 >> R3 nahezu der gesamte
>> Eingangsstrom über R3 gegen Masse fließt.
>Öhhh... Joa ne, also ich habe davon keine Ahung, aber habe das so
>verstanden, dass das Mic die 10k Pullup braucht. Danach wird der ganze
>Krempel ja entkoppelt und der R4 und alles das da nach unten weg geht
>soll dann den Pegel auf 2,5V ziehen statt auf 0, da da ja auch negative
>Signale rauskommen und ich die nicht Verstärken kann.
Du hast das richtig verstanden. Die Aussage von Michael ist so nicht 
richtig.

>> Bei 40 Khz hat man auch nur noch eine etwa 50 fache Verstärkung...
>Liegt das jetzt daran, dass ich nur 5V habe oder daran, dass es 40Khz
>sind? Also wie könnte ich das verbessern, hatte eigentlich was von bis
>zu 1000-fach gehofft :(
Die Verstärkungsgrenze liegt am OPA-Typ, genauer an dessen GBW - 
Gain-Bandwidth-Product. Es gibt schnellere, die dann auch mehr 
Verstärkung können. Besser man schaltet zwei hintereinander, so dass 
v1*v2 deine gewünschte Verstärkung bringt. Dann muss jeder nur noch eine 
deutlich geringere Verstärkung bringen (z.B. sqrt(v)) und hat somit eine 
höhere Grenzfrequenz.
Die Spannung VCC ist zu gering für den TL072 - so ab 9V wäre brauchbar. 
Im 'worst-case' braucht er oben und unten 3V Abstand zu den Rails, d.h. 
bei 6V braucht er noch kein Ausgangssignal abgeben (tut es aber meist 
schon ab 5V). Es gibt aber auch OPAs für kleine Versorgungsspannungen, 
Stichwort: Rail-to-Rail.

>> ...Rückkopplung...
>Rückkopplung? Wie gesagt, ich = 0 Plan ;) Um welche Bauteile handelt es
>sich dabei? Den Krempel der an den Pins 1 und 2 hängt?
In der Schaltung gibt es auch keine Rückkopplung, sondern eine 
Gegenkopplung. Die Widerstände zur Verstärkungseinstellung - R1, R11 und 
R12 stellen den Gegenkopplungsfaktor ein. Wenn du die Verstärkung auf 
zwei aufteilst, wird R1 automatisch kleiner und kommt in einen besseren 
Wertebereich.

Die Aussagen von 'peter-neu-ulm' bez. der Kondensatoren solltest du 
berücksichtigen. Die 200k aus seinem früheren Post würde ich aber nicht 
verringern - zumindest nicht so stark. Das belastete und dämpft damit 
nur das Eingangssignal. Eine Verringerung von C1 entsprechend seinen 
Grenzfrequenzvorgaben bringt dasselbe Ergebnis.

Autor: 12er Dude (Gast)
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@HildeK

"... In der Schaltung gibt es auch keine Rückkopplung, sondern eine
Gegenkopplung. ..."

Gegenkopplung ist - wie auch Mitkopplung -  eine Form der Rückkopplung.

Schaust Du hier: http://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%BCckkopplung

Tschü Dude

Autor: HildeK (Gast)
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>Gegenkopplung ist - wie auch Mitkopplung -  eine Form der Rückkopplung.
In der Tat!
Ich hatte mich vom umgangssprachlichen Begriff Rückkopplung bei 
pfeifenden PA-Anlagen verleiten lassen ...

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Soooo.... Schaltung nochmal eben überarbeitet.
Mir kommt der C5 ein wenig klein vor, habe es aber zich mal 
nachgerechnet, und R4 kann ich nicht noch kleiner machen :(
Zu beachten ist auch der neue OP, ein 2-fach rail-to-rail.

Autor: peter-neu-ulm (Gast)
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C5 = 1nF würde ich OK finden, man braucht ja nicht ganz an die Grenze zu 
gehen.
C8 scheint mir zu klein, das R x C von R12 und C8 sollte eine Frequenz 
von unter 40 kHz ergeben.
R1 = 50kOhm, R12 = 1 kOhm finde ich etwas besser, ich hab etwas gegen 
100-Ohm Trimmer.
Der rail-to rail-OP-Amp ist natürlich das Richtige bei 5V.

Ohne Übersteuerung muss der Ausgang des OP-Amp 1/2 Vcc haben, denn bei 
DC ist die Schaltung ein Spannungsfolger mit wenigen mV Differenz 
zwischen +Eingang und Ausgang.

Autor: HildeK (Gast)
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>Mir kommt der C5 ein wenig klein vor, habe es aber zich mal
Mir auch! Ebenso C8.

Bei 40 kHz sollte Xc nicht unbedingt mehr als 1k haben, um gegen den 
100k (R4) nicht ins Gewicht zu fallen. Ich würde mal 5-10n schätzen.

Gleiche Argumentation auch für C8 - der muss gegen den minimalen Wert 
von R12 ankämpfen. Da du eingangs dort 180 Ohm drin hattest, wären in 
der Beschaltung statt 1µ auch 220n ausreichend gewesen (kleiner, 
billiger). Jetzt könnte dein R12 auch Null haben - und C8 muss gegen 
unendlich gehen :-).  R12 darf natürlich nicht Null haben. Spezifiziere 
einen Vorwiderstand für die maximale Verstärkung.

>Zu beachten ist auch der neue OP, ein 2-fach rail-to-rail.
Ja, die Rails kann er. Aber mit 800kHz GBP ist er bei 40 kHz nur noch zu 
maximal v=20 (real weniger) zu bewegen. Es ist noch nicht der ideale OPA 
:-)
Mit dem OPA macht es kaum Sinn, R12 kleiner als 250 Ohm zu machen.
Spice-Daten sind im Datenblatt ja enthalten - simuliere mal damit!

Nimm beide Verstärker in Reihe mit je Verstärkung 10...15 und du hast 
100 ...200 Gesamtverstärkung bei 40kHz. Oder suche einen OPA mit GBW von 
mehr als 40kHz*1000 = 40MHz (incl. R2R, 5V-Versorgung usw.; jetzt wird's 
schon schwieriger...)

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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So ich habe mich dann für die Variante mit den 2 Verstärkern entschieden 
und das Ergebnis ist im Anhang, bitte nochmals um Stellungnahme ^^

Autor: peter-neu-ulm (Gast)
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Also ich finds so in Ordnung. Wenns jetzt nicht geht, liegts nicht an 
der Verstärkerschaltung sondern an der Spannungsversorgung 
oder...,oder...
( Daumendrück! )

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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OK super, dann werde ich nachher gleich mal los eiern und die Bauteile 
holen, in der Zwischenzeit ätz ich die Platine neu...
Vielen, vielen Dank für eure Hilfe bis hier hin, ihr habt mir echt den 
Arsch gerettet, wenn das funktioniert ;)

Fabian

Autor: Sepp (Gast)
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Hi,

eine Sache fällt mir noch auf. Du beziehst Dein Signal auf eine Spannung 
von 2,5V. Dann hast Du am Nichtinvertierenden Eingang eben diese 
Spannung von Ue- = 2,5V anliegen. Damit der invertierende Eingang 
ebenfalls auf diese Spannungsniveau abgeglichen werden kann muss der OP 
eine Ausgangsspannung Ua haben. Dadurch kommt ein Stromfluss durch R1 + 
R9 + R12 zustande, über denen Ua abfällt. Ue- fällt über R12+R9 ab. Wenn 
ich von R12+R9 = 1200 Ohm ausgehe und Ue- = 2,5V fließt ein Strom von I 
= 2,083mA. Dieser Strom fließt allerdings auch über den gesamten Pfad. 
Dadurch ergibt sich eine Spannung Ua = I * (R1 + R9 + R12) = 23,33V. Und 
dies ist erst der Ruhezustand. Um einen richtigen Ruhezustand zu 
erreichen muss das Bezugspotential des Operationsverstärkers nicht Masse 
sein, sondern 2,5V. Heißt konkret R12 darf nicht mit Masse verbunden 
sein, sondern muss zwischen R5 und R7 geschaltet sein. In diesem Fall 
würde nämlich der Strom I im Idealfall 0 sein.

Schönen Gruß,

Sepp

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Wenn ich das richtig sehe hast du vergessen in deine Überlegungen den C8 
mit einzubeziehen. Wie gesagt, ich = 0 Plan, daher würde ich gerne noch 
eine 2. Meinung hören ;)

Autor: Sepp (Gast)
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Japp, hast recht ... sorry. Hatte mich so auf die Widerstände und den 
Gleichstromfall gestürzt.

Gruss, Sepp

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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So habe da nochmal eine Frage:
Der C5 und R4 bilden doch einen Hochpass 1. Ordnung. Wenn ich das ganze 
nun ausrechne komme ich auf einen Grenzfrequenz von etwa 1600Hz. Ich 
denke das ist ein wenig zu klein, da der µC ja nach Möglichkeit keine 
normalen Umgebunsgeräusche warnehmen soll. Kann ich den C noch ein wenig 
kleiner machen, dass ich wenigstens auf 5kHz komme um normale Sprache 
raus zu filtern?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>>>> Das Mic ist ein Ultraschall Receiver Micro mit 40kHz Nennfrequenz.
> ... keine normalen Umgebunsgeräusche warnehmen soll.
Dein US-Wandler hat Bandpass-Funktion, den schert eine Frequenz von 1kHz 
überhaupt nicht.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Mhh joa nur hat der das Problem, dass er ewig nachschwingt und desshalb 
würde ich gerne ein normales Mic einbauen. Und ja, es gibt welche, die 
40Khz können, wie z.B. mein Headset, mit dem ich die 40Khz richtig gut 
sehen kann in einer Fourieranalyse.

Autor: Jens G. (jensig)
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na dann veringere C5 um den Faktor, um den Du die Grenzfreuqnez anheben 
wilst
Faktor 20 kleinerer C macht also 32kHz - und der C ist wieder bei 50p 
;-)

Autor: Gast123 (Gast)
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Mit was hast du die FFT gemacht?

Und mit welchem Pegel liefert denn dein Mikro überhaupt bei 40 kHz? Ohne 
das zu wissen kannst du die Verstärkung doch nur raten oder?

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Die FFT hat Cool Edit 2000 für mich gemacht, was den Pegel des Mics 
angeht kann ich dir nichts sagen, aber der ist eher höher als der vom 
US. Und für die Verstärkung habe ich ja nen Poti drin, mit dem ich von 
20x bis 400x regeln kann.

Autor: Gast123 (Gast)
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Mit der Soundkarte gemessen? Welche Samplerate war denn überhaupt 
eingestellt?
Und wie willst du am Ende feststellen, ob dein Ausgangspegel passt, wenn 
du noch nichtmal den Eingangspegel misst?

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Den Ausgangspegel kann ich ja mit nem Normalen Multimeter messen oder? 
Sonst mit dem Atmega. Und ich kann es messen, muss dafür nur zu einem 
Kollegen fahren, das werde ich aber nicht machen, um die eine Frage zu 
beantworten, dessen Antwort dann sowieso keine Folgen nach sich zieht 
oder?

Autor: Gast123 (Gast)
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Mit einem Multimeter wirst du da wahrscheinlich keinen richtigen Wert 
herausbekommen. Der Atmega hat eine maximale Bandbreite von 38,5 kHz 
(bei schon reduzierter Genauigkeit), das heißt du verletzt dann dort den 
Nyquist. Vielleicht kriegst du bei einer langen Messung dann mal einen 
Spitzenwert, wenn du viel Glück hast.

Natürlich hat eine der wesentlichen Eingangsgrößen Folgen auf deine 
Schaltung.

Du hast etwas von Uni erwähnt - ich hoffe mal du studierst keine 
Ingenieurswissenschaft.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Studiere Informations- und E-Technik im 2. Semester...

Autor: Gast123 (Gast)
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Dann sollten doch wenigstens Ansätze von ingenieursmäßigen Denken 
vorhanden sein oder? Na hoffentlich bringen sie dir noch etwas bei.

So kann man heutzutage noch nichtmal mehr in China Hardware entwickeln 
(und da sieht es wirklich böse aus!)

Achja: Spice wurde nicht entwickelt, weil den Leuten langweilig war. 
Oder um Studenten zu ärgern. Das wird tatsächlich professionell 
eingesetzt.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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> So kann man heutzutage noch nichtmal mehr in China Hardware entwickeln
Was meinst du mit "so"? Ohne zu Simulieren?

> Dann sollten doch wenigstens Ansätze von ingenieursmäßigen Denken
> vorhanden sein oder? Na hoffentlich bringen sie dir noch etwas bei.
Du meinst effizientes Arbeiten?

> Achja: Spice wurde nicht entwickelt, weil den Leuten langweilig war.
> Oder um Studenten zu ärgern. Das wird tatsächlich professionell
> eingesetzt.

Ja das ist mir klar und wir werden dieses und nächstes Semester intensiv 
mit PSpice arbeiten (müssen). Nächstes kommt dann noch Matlab dazu...
Und da ich es bislang noch nie privat benötigt habe (oder nicht wusste, 
dass ich es brauche) habe ich es nie gelernt. Und das jetzt mal bis 
Montag eben lernen ist wohl nich drin.

Autor: Gast123 (Gast)
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Mit "so" meinte ich völlig planlos ohne jegliche Struktur.

Und ingenieurmäßig heißt nicht effizient, da steckt noch viel mehr 
dahinter.

Autor: Fabian S. (jacky2k)
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Tjoa naja, wie gesagt, ich habe kein Plan davon und hätte auch nicht 
gedacht, dass es so schwer ist ein Mic Signal zu verstärken.

Autor: was-willst-du (Gast)
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>Tjoa naja, wie gesagt, ich habe kein Plan davon und hätte auch nicht
>gedacht, dass es so schwer ist ein Mic Signal zu verstärken.

Verstärken ist knallsimpel, auch MIC-Signale, seit es Transistoren gibt 
und erst recht, seit es OPVs gibt. Gescheiten Schaltplan, gescheite 
Stromversorgung und auf ein paar Tips hier hören und schon gehts.

Aber ohne "Plan" oder mit "0Plan" kann man nicht mal Fahrradfahren.

Mußte ich mal loswerden, bevors mich zerreißt.

Autor: Gast123 (Gast)
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Es ist keine Schande, etwas nicht zu wissen. Das schlimme daran ist, 
dass du anscheinend schon 2 Platinen geätzt hast, obwohl du weißt, dass 
du nichts weißt.

Das Problem ist auch nicht das Signal zu verstärken, sondern dass du 
absichtlich sämtliche Randbedingungen ignorierst und aus Bequemlichkeit 
auf unverzichtbare Werkzeug verzichtest.

Nach dem Motto: och neee, der Hammer liegt im Keller, schlag ich den 
Nagel doch einfach mit ner Schere in die Wand.

Klar, etwas Improvisation gehört immer dazu, aber dann muss man erst 
recht wissen was man tut. Wenn du schon tausende Ultraschallaufnahmen 
auf dem Oszilloskop angeschaut hast und die erfolgreich verarbeitet 
kannst du dich auf den ADC des Atmega vielleicht verlassen hast oder 
wenn du schon tausende verschiedene OP-Schaltungen aufgebaut hast und 
die Grundschaltungen im Schlaf kannst brauchst du nicht für jeden Mist 
Spice anschmeißen. Aber das Wissen brauchst du erst einmal und das kommt 
nicht aus dem Nichts!

Das sollte erst einmal genügen. In den Thread geht es ja eigentlich um 
die Schaltung. Wenn du Glück hast geht es. Wenn nicht, hast du halt 
wieder keinen Plan, weil:
- es könnte die AD-Wandlung im Atmega sein (wie gesagt, der Nyquist wird 
verletzt) oder das Multimeter
- es könnte die Schaltung sein
- es könnte sein, dass die Eingangsspannung einfach nicht passt

Und wo fängst du dann zu suchen an?

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