Hallo, es gibt ein Stabilitätskriterium, dass besagt, die Phasenverschiebung sollte bei einer verstärkung von 1 (0dB) bei 60 Grad über -180 liegen. Richtig? http://en.wikipedia.org/wiki/Phase_margin Wenn man sich jetzt mal überlegt: Man hat einen TIA der eine Fotodiode treibt und möchte den Simulieren. Man hat also eine Stromquelle, eine Kapaziät und einen 10M-10G Widerstand auf GND am invertierendem Eingang. Als Rückkopplung hat man parallel einen Kondensator und einen Widerstand. Jetzt sweept man von 0-100kHz und schaut sich den Bode-Plot an. Als erstes stellt man fest: Man hat eine Phasenverschiebung um 180° schon bei geringen Frequenzen. Macht ja auch Sinn wegen der Invertierung des Operationsverstärkers. Aber wie kommt man jetzt auf die Phasenreserve? Ich meine wo ist da die Verstärkung 0dB? Das Diagramm fängt doch event. schon bei -20dB an! Kann mir da jemand Tipps geben? Danke!
Phasendreher schrieb: > Man hat also eine Stromquelle, eine > Kapaziät und einen 10M-10G Widerstand auf GND am invertierendem Eingang. > Als Rückkopplung hat man parallel einen Kondensator und einen > Widerstand. Hi, Drehkopf :-), welche Impedanz hat der Ausgang Deiner Signalquelle? Ciao Wolfgang Horn
Hi, ich nehme an, das meine Fotodiode bei 10M und 65p ist. Hinzu kommen vllcht 40p parasitär. Für den schlimmsten Fall würde ich gerne noch 100p zusätzlich (entspricht 1m BNC Kabel) dazu nehmen. Bei LT Spice nehme ich also eine Stromquelle, parallel einen Kondensator mit 200pF und einen 10meg Widerstand.
So, hab das jetzt anders gemacht: Transient Analyse und geschaut dass überschwinger unter 4% des Rechtecksignals bleiben. Passt auch, oder? Trotzdem würde mich die Bode Geschichte interessieren.
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Der Phasengang, der hier interessiert, ist der zwischen idealisiertem Ausgang des OPamps, also vor der Open-Loop-Ausgangsimpedanz, und invertierendem Eingang des OPamps. Das simulierst du so, wie im Anhang. Der OPamp kommt hierbei garnicht mehr vor, sondern wird hier mit seiner Ausgangsimpedanz (300R für einen TL072) und seiner Kapazität vom invertierenden Eingang nach Masse (rund 20pF für einen TL072, die in der 200pF Kapazität schon enthalten sind) simuliert. Bei einem Gegenkopplungswiderstand von 10M sollte der Cap in der Gegekopplung also rund 47pF betragen. Kai Klaas
Kai Klaas schrieb: > Der Phasengang, der hier interessiert, ist der zwischen idealisiertem > Ausgang des OPamps, also vor der Open-Loop-Ausgangsimpedanz, und > invertierendem Eingang des OPamps. Das simulierst du so, wie im Anhang. > > Der OPamp kommt hierbei garnicht mehr vor, sondern wird hier mit seiner > Ausgangsimpedanz (300R für einen TL072) und seiner Kapazität vom > invertierenden Eingang nach Masse (rund 20pF für einen TL072, die in der > 200pF Kapazität schon enthalten sind) simuliert. > > Bei einem Gegenkopplungswiderstand von 10M sollte der Cap in der > Gegekopplung also rund 47pF betragen. > > Kai Klaas Hallo und danke für die Antwort! Ich muss zu meiner Schand zugeben, dass ich ein paar Sachen nicht verstehe. a) Warum 47p? - Wo hat man da einen Gain von 0dB? Man sollte bei dieser Frequenz doch noch eine Phasenreserve von 60° haben, oder? - In dem Bode-Plot ist die Phasendrehung doch nur 26°... b) Wie ist das mit der Formel
(http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/what-s-all-this-transimpedance-amplifier-stuff-any.aspx) in Einklang zu bringen? Ich meine da kommt man ja auf 2.2pF. Schönen Sonntag abend.
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Hier mal eine leicht vereinfachte Methode mit LTspice. Für diesen Fall ist die aber genau genug. Wir nehmen den Eingangswiderstand des Opamp einfach mit 5pF an. Ich habe die Loop aufgebrochen. Achtung: Die SPICE-Modelle für Opamps haben manchmal nur 0Ohm Ausgangswiderstand. Die ganz genaue Methode gibt es hier. http://sites.google.com/site/frankwiedmann/loopgain
>a) Warum 47p? Weil die Simulation zeigt, daß bei rund 50pF die Phase Lag akzeptabel gering, die Phasenreserve also besonders groß ist. >- Wo hat man da einen Gain von 0dB? Der TL072 hat seine Unity Gain Bandwidth bei 3MHz. Deswegen endet die Simulation auch dort. Die Phase Lag beträgt dort rund 14°. >Man sollte bei dieser Frequenz doch noch eine Phasenreserve von 60° >haben, oder? "Besser" 60° sollte man haben, nicht "genau gleich" 60°. Und 90° - 14° = 76° ist besser als 60°. >b) Wie ist das mit der Formel ... in Einklang zu bringen? Ich bin zu faul, da nachzulesen, wie sie dieses Formelchen hergeleitet haben. Solche Formeln sind immer mit Vorsicht zu genießen. Oft legt man da bestimmte Annahmen zu Grunde, weswegen man solche Formeln nicht generell übertragen kann. Kai Klaas
Kai Klaas schrieb: > Ich bin zu faul, da nachzulesen, wie sie dieses Formelchen hergeleitet > haben. Solche Formeln sind immer mit Vorsicht zu genießen. Oft legt man > da bestimmte Annahmen zu Grunde, weswegen man solche Formeln nicht > generell übertragen kann. Danke nochmals für die Antwort. Die Formel wird an dieser Stelle nicht hergeleitet. Kai Klaas schrieb: > "Besser" 60° sollte man haben, nicht "genau gleich" 60°. Und 90° - 14° = > 76° ist besser als 60°. Das heißt aber doch, dass wenn man stärkeres Überschwingen bei Impulsantworten akzeptiert geht auch weniger als 47u, oder? Dies ist nur als Verständnissfrage zu interpretieren... Gruß
Kai Klaas schrieb: > "Besser" 60° sollte man haben, nicht "genau gleich" 60°. Und 90° - 14° = > 76° ist besser als 60°. Ach ja nochwas: Warum 90°-14? ich dachte 180°... Maximaler Phase Lag darf doch 120° sein, oder nur 30°??
@Phasendreher, Schau dir einfach die von mir hochgeladenen Bilder an. Phasenerserve ist der Abstand zu den -180°. Wenn du 60° haben willst, dann muss die Phase bei loopgain 1(=0dB) bei -120°sein.
Alles klar! Langsam kapiere ichs. Danke an alle Beteiligten.
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>Ach ja nochwas: Warum 90°-14? ich dachte 180°... Maximaler Phase Lag >darf doch 120° sein, oder nur 30°?? Ok, das wünschst das volle Programm: Im Anhang siehst du den Phasengang für den TL072. Du mußt dabei mehrerlei berücksichtigen: 1. Die Phasenverschiebung zwischen "-" Eingang und Ausgang von 180°. 2. Die zusätzliche 90° Phasenverschiebung durch die interne Frequenzkompensation im Bereich oberhalb rund 100Hz. (Das, was für den 6dB/Oktave Abfall des Frequenzgangs verantwortlich ist.) 3. Die zusätzliche Phasenverschiebung über 1MHz durch endliche Signallaufzeiten und zusätzliche parasitäre Impedanzen. Alle diese Phasenverschiebungen zusammen, plus die eventuelle Phasenverschiebung in der Gegenkopplung müssen zusammen unbedingt unter 360° bleiben. Bezogen auf das Schaubild heißt das: 1. Im Bereich zwischen 100Hz und 1MHz sollte eine Phasenreserve von rund 60° vorliegen, also sollte eine eventuelle Phase Lag in der Gegenkopplung unter 30° liegen. Es gibt allerdings Filterschaltungen, bei denen man die Phasenreserve ein wenig mehr anknabbern muß. Solnage das im unteren Frequenzbereich passiert und man nicht unter 30...40° Phasenreserve rutscht, ist das eher unproblematisch. 2. Im Bereich über 1MHz muß man sehr aufpassen, daß nicht durch unberücksichtigte Impedanzen (z.B. Lastkapazität am Ausgang) die Phasenreserve zusätzlich aufgezehrt wird. Deswegen läßt man hier nur sehr kleine Phase Lags zu. Da bei 3MHz die Phasenverschiebung auch schon rund 110° beträgt, also ohne zusätzliche Phase Lag die Phasenreserve sowieso nur noch 180°-110°=70° beträgt, sollte man einer zusätzlichen Phase Lag nur noch maximal 10...20° an zusätzlicher Phasenverschiebung erlauben. Wenn du also eine solche Schaltung designst, wirfst du am besten den Simulator an, berechnest den Phasengang und veränderst die Gegenkopplungskapazität solange, bis die beiden oberen Punkte 1 und 2 erfüllt sind, worauf du auf den Bereich oberhalb 1MHz besonderes Augenmerk lenkst. In deinem Fall ist die ausgeprägte Kapazität am "-" Eingang von Nachteil. Insbesondere mit kleinen Gegenkopplungswiderständen wird dir die Phase in ungesunde Bereiche rutschen, sodaß eventuell eine Phasenkompensation (Phase Lead um die Phase Lag auszugleichen) garnicht mehr möglich ist. Überdenke daher die Option mit dem abgeschirmten Kabel am Eingang des TIAs. Setze besser die Fotodiode direkt an den Eingang des TIA und verzichte auf überflüssige Streukapazitäten dort. Kai Klaas
Hi, danke für die Antwort! Kai Klaas schrieb: > In deinem Fall ist die ausgeprägte Kapazität am "-" Eingang von > Nachteil. Insbesondere mit kleinen Gegenkopplungswiderständen wird dir > die Phase in ungesunde Bereiche rutschen, sodaß eventuell eine > Phasenkompensation (Phase Lead um die Phase Lag auszugleichen) garnicht > mehr möglich ist. Überdenke daher die Option mit dem abgeschirmten Kabel > am Eingang des TIAs. Setze besser die Fotodiode direkt an den Eingang > des TIA und verzichte auf überflüssige Streukapazitäten dort. Ich werde im Normalfall die Fotodiode auf ein BNC Stecker löten, und direkt an der Quelle sein. Nur ich möchte mit dem Gerät viele Szenarien abdecken, für die ich sonst ständig etwas provisorisches zusammenlöte. Daher die Annahme einer so hochkapazitiven Stromquelle. Natürlich kann ich dann keine so gute Rauschanpassung machen, aber das ist oft ziemlich egal. Eine Frage: Ich habe deine Anleitung gerade befolgt. könnte ich genauso die Antwort auf einen senkrechten Spannungspuls messen und schaun, dass das Überschwingen klein bleibt? (< 4%) Gruß, Philipp
>Eine Frage: Ich habe deine Anleitung gerade befolgt. könnte ich genauso >die Antwort auf einen senkrechten Spannungspuls messen und schaun, dass >das Überschwingen klein bleibt? (< 4%) Es gibt mehrere Gründe die gegen dieses Vorgehen sprechen: 1. Meßtechnisch müssen Periode des Überschwingers, Periode des Rechtecksignals (als Quelle deines senkrechten Spannungspulses) und Ablenkzeit des Oszis in einem ganz bestimmten Verhältnis zueinander stehen, damit ein Überschwinger überhaupt als solcher wahrgenommen werden kann. Wenn du aber nicht weißt, wo die gefährliche Phasendrehung genau ist, mußt du schon den gesamten Frequenzbereich darauf hin untersuchen, also alle Frequnzen zwischen rund 100Hz und 3MHz. Da passiert es leicht, daß man den Überschwinger übersiehht. 2. Überschwinger entstehen oft erst durch das Anschließen eines Oszis direkt an den Ausgang, wenn zu große Lastkapazitäten im Spiel sind, vor allem wenn billige 1:1 Tastköpfe verwendet werden. GHz-Opamps fangen dabei sogar spontan an zu schwingen. 3. Eine gefährliche Phasendrehung macht sich nicht immer als Überschwinger bemerkbar. Dazu müssen Frequenzgang und Phasengang bestimmte Bedingungen erfüllen. Aber nur weil aus einer gefährlichen Phasendrehung kein Schwingen entstehen kann, heißt noch lange nicht, daß die Phasendrehung dann akzeptabel ist. Es gibt beispielsweise dilettantische "Virtual Ground" Schaltungen, bei denen direkt am Ausgang eines Opamp eine riesige Kapazität sitzt. Diese dreht nicht nur die Phase auf völlig kranke Werte, sondern knüppelt auch die Verstärkung so zusammen, daß der OPamp garnicht mehr schwingen kann. Am Ausgang ist dann vermeindlich "Ruhe", aber nicht weil der OPamp das macht was er soll, sondern weil der Ausgang zu Tode geregelt wurde. Belohung dieser Bemühungen ist ein OPamp, der sich ganz ganz merkwürdig benehmen kann (nach dem Einschalten sekundenlanges Kleben bei irgendeiner Phantasiespannung, Unfähigkeit irgendwelche Störungen auszuregeln, etc.). 4. Wie ich bereits früher geschrieben habe, ergeben sich bei bestimmten Schaltungen Phasendrehungen im niederfrequenten Bereich, die unvermeidbar aber völlig ungefährlich sind. Vermeindlich gefährliche Überschwinger sind dann Ausdruck eines ganz regulären Verhaltens der Schaltung. Kai Klaas
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