Guard Schaltungen

Guardschaltungen ? Ein Buch ?

Wohl nicht ganz aufgepasst ? Das Thema ist aber dermassen trivial. Es 
geht um eine extrem hochimpedande Quelle und einen extrem hochimpedanten 
Eingang, bei dem selbst der Volumenwiderstand eines Kabels oder der 
Oberflaechenwiderstand einer Leiterplatte reinspielt. In dem Fall 
verwendet man einen Guardschirm(Kabel) oder einen 
Guardring(Leiterplatte), der aktiv, dh mit einem OpAmp, auf derselben 
Spannung wie der Eingang gehalten wird. Dann fliesst auch kein 
(Leck-)Strom mehr.

Die ganze Guard-Geschichte ist natuerlich fuer streng DC. Ein 
Guardschirm auf einem Triax Kabel hat aber eine Kapazitaet gehen den GND 
Schirm. OpAmps treiben nicht gerne kapazitive Lasten, daher der 
Seriewiderstand.

Sonst noch was ?

@Aehh
>Das Thema ist aber dermassen trivial.

So, findest du? Das kapazitive Rückkoppeln der Ausgangsspannung direkt 
auf den Eingang führt bei der kleinsten Phasenverschiebung zum Schwingen 
der ganzen Anordnung. Zusätzlich muß berücksichtigt werden, das auf den 
Guard Surge, Burst ubd ESD eingekoppelt werden können (CE-Tests!). Die 
Schaltung benötigt in der Regel also Schutzschaltungen, die aber gerade 
phasendrehend wirken können.

Solche Guard-Schaltungen zählen zu dem Anspruchsvollsten überhaupt, vor 
allem, weil in der Regel die Eingangsströme so niedrig sind, daß 
Schutzschaltungen bestehend aus Varistoren und Transzorbs eher nicht 
eingesetzt werden können.

@Alex
In diesem Datenblatt findest du ein paar nützliche Informationen:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/analogdevices/352813717AD549_c.pdf

Kai Klaas

Auf den Guard koppelt gar nichts, da man ja noch einen GND schirm aussen 
rum hat. Und ja. Richtig. Der Verstaerker, der den Guard treibt ist kein 
GHz OpAmp, sondern ein langsamer. Die Bandbreite von solchermassen 
angeschlossenen Sensoren geht ja auch gegen Null.

Hallo Aehh,

ich habe im Anhang die Application Note AN-347 beigefügt und die 
entscheidenden Passagen markiert.

Das rot Unterstrichene besagt, daß Guarding den OPamp zunächst 
intrinsisch instabil macht, da die Streukapazität Cs vom Guard nach 
Masse ein Phase Lag bedeutet, das durch ein genau passendes Cf (Phase 
Lead) kompensiert werden muß. Das ist deshalb schwierig, da Cs in der 
Regel nicht genau bekannt ist und vor allem sich bei Änderung der Länge 
des Kabels oder bei einer veränderten Verlegung schnell ändert. Dazu 
kommt, daß je nach Opamp die Kompensiererei nur bis zu bestimmten 
Kapazitäten funktioniert. Also, lassen sich ausgedehnte Guards überhaupt 
nicht stabil kompensieren.

Das blau Unterstrichene besagt, daß der Guard äußerst empfindlich auf 
kapazitiv eingekoppelte Störungen reagiert. Deswegen muß der Guard 
entweder mit einem Buffer niederohmig getrieben oder von einem zweiten 
Guard umhüllt werden.

>Der Verstaerker, der den Guard treibt ist kein GHz OpAmp, sondern ein >langsamer.

Ach ja, wirklich? In der Application Note steht genau das Gegenteil! Das 
grün Unterstrichene besagt, daß der Buffer, der den Guard treibt, eine 
"fast respone and low output impedance" haben soll. Also, er muß schnell 
sein und den Guard mit einer niedrigen Impedanz treiben. Man verlangt 
also von einem schnellen Buffer eine kapazitive Last (Cs) niederohmig zu 
treiben, und daß, obwohl schnelle Buffer keine kapazitiven Lasten mögen. 
Also kommt hier der zweite kritische Schaltungsteil hinzu. Nicht nur die 
Phase Lag Geschichte durch Cs für den ersten OPamp, sondern auch noch 
die kapazitive Belastung des zweiten Verstärkers durch Cs. Und wehe, 
wenn einer der beiden OPamp zu langsam ist oder der Guard-Buffer eine zu 
große Ausgangsimpedanz hat, dann gibt es zusätzliche Phasendrehungen und 
das Ganze fängt munter an zu schwingen.

>Die Bandbreite von solchermassen angeschlossenen Sensoren geht ja auch >gegen 
Null.

Das mag ja sein, aber die verwendeten OPamp brauchen nun einmal eine 
gewisse Open Loop Gain, um genügend Verstärkungsreserve für die 
verzerrungsmindernde Gegenkopplung zu haben. Und damit sind sie in jedem 
Fall schnell genug, um schwingen zu können.

Dann vielleicht doch lieber die Lösung mit dem zweiten Schirm, nach 
Figure 23 (b)? Wenn man sich die Schaltung aber ganz genau anschaut, 
erkennt man, daß das verstärkerseitige Ende des Schirms hoch liegt, also 
ESD garnicht abführen kann. Außerdem sieht der OPamp nicht mehr nur eine 
einfache kapazitive Last (Cs) am invertierenden Eingang, sondern eine 
komplexe Last, die sich noch schwieriger kompensieren läßt.

Ich bleibe dabei, Schaltungen mit Guard sind hochanspruchsvoll und 
keineswegs trivial!

Kai Klaas