TL081 schwingt

[Christoph A. (shadowrunner93)]

Guten Abend Forum!

Ich habe hier einen Sägezahn mit einer Frequenz von 80kHz aus einem 
Timer 555, bei dem ich den Offset einstellen will.

Dafür habe ich einen einfachen OPV-Subtrahierer mit einem TL081 
aufgebaut.

Am nichtinvertierenden Eingang liegt der Sägezahn mit der besagten 
Frequenz und durch den Benutzer variabler Amplitude (zw. 0-5V).
Am invertierten Eingang liegt die Spannung an die von dem Signal 
abgezogen werden soll, um somit den Offset kleiner machen zu können.

Gelbes Signal : Eingang (Sägezahn) (2V / Quadrat)
Blaues Signal : Ausgang (5V / Quadrat)

Ohne C im rückgekoppeltem Zweig ist das Signal aber mit einer gedämpften 
Schwingung mit ziemlich hoher Amplitude versehen.
Ich habe ein bisschen probiert und bin eben so auf die Lösung gekommen, 
aber verstehe nicht ganz wieso das Signal damit einen sauberen Verlauf 
hat. =)

Habe die ganze Schaltung mit einem TLE2082 aufgebaut und ohne C ein 
sauberes Ausgangssignal erhalten.

Was genau in dem TL081 verursacht also dieses Problem und welche 
Parameter im Datenblatt hätten mich dass wissen lassen können?

Mfg
Christoph

[Klaus R. (klara)]

Hallo,
Du muss Dir mal im Datenblatt den Phasengang des OP anschauen. Wenn aus 
einer Rückkopplung langsam eine Mitkopplung wird dann entstehen diese 
Überschwinger. Die Verringerung der Bandbreite stabilisiert den OP 
wieder. Man spricht auch von einem nötigen Phasenrand.
Gruss Klaus.

[Christoph A. (shadowrunner93)]

Klaus Ra. schrieb:
> Hallo,
> Du muss Dir mal im Datenblatt den Phasengang des OP anschauen. Wenn aus
> einer Rückkopplung langsam eine Mitkopplung wird dann entstehen diese
> Überschwinger. Die Verringerung der Bandbreite stabilisiert den OP
> wieder. Man spricht auch von einem nötigen Phasenrand.
> Gruss Klaus.

Laut Datenblatt besitzt der TLE2082 dieselbe Phasendrehung bei 100kHz 
wie der TL081, nämlich 90 Grad.
Soweit ich weiß ergibt eine Phasendrehung von 180 Grad eine Mitkopplung, 
stimmt das? =)

[... (Gast)]

Christoph A. schrieb:
> Soweit ich weiß ergibt eine Phasendrehung von 180 Grad eine Mitkopplung,
> stimmt das? =)

Nein, das ergibt eine Gegenkopplung. 0° oder 360° ergibt eine 
Mitkopplung.

[Kai Klaas (Gast)]

Die Phasengang-Analyse zeigt, daß der TL081 ohne Cap in der 
Gegenkopplung bei den höchsten Frequenzen eine ungesunde Phasendrehung 
(Phase Lag) erleidet, die letztlich für diesen Überschwinger 
verantwortlich ist.

Mit Gegenkopplungscap, also Phase Lead Kapazität, bleibt die 
Phasendrehung dagegen auf ungefährliche Werte beschränkt.

Kai Klaas

[ArnoR (Gast)]

Christoph A. schrieb:
> Soweit ich weiß ergibt eine Phasendrehung von 180 Grad eine Mitkopplung,
> stimmt das? =)

... schrieb:
> Nein, das ergibt eine Gegenkopplung. 0° oder 360° ergibt eine
> Mitkopplung.

Christoph meinte eine zusätzliche Phasendrehung von 180° durch den 
Verstärker, dann wird aus der Gegenkopplung eine Mittkopplung, ihr meint 
beide dasselbe.

Der Rückkoppelwiderstand ist zu hochohmig, dadurch wird die 
Summierpunktkapazität zu wirksam (steht nicht im Datenblatt) und macht 
eine erhebliche zusätzliche Phasendrehung. Ein kleinerer Kondensator 
100p-1n reicht auch. Der TL081 hat ohnehin nur wenig Phasenreserve.

[Kai Klaas (Gast)]

Hier noch die Simulation der Schaltung mit TINA, die das reale Verhalten 
doch ziemlich trifft.

Kai Klaas

[Christoph A. (shadowrunner93)]

Erstmal vielen Dank für eure Mühen und für das Aufstellen und 
Durchführen der Simulation!
Eure Beiträge haben mir sehr geholfen, leider ist es aber so:
Desto mehr man weiß, desto mehr wird einem klar wie wenig man weiß :)

ArnoR schrieb:
> Christoph A. schrieb:
>> Soweit ich weiß ergibt eine Phasendrehung von 180 Grad eine Mitkopplung,
>> stimmt das? =)
>
> ... schrieb:
>> Nein, das ergibt eine Gegenkopplung. 0° oder 360° ergibt eine
>> Mitkopplung.
>
> Christoph meinte eine zusätzliche Phasendrehung von 180° durch den
> Verstärker, dann wird aus der Gegenkopplung eine Mittkopplung, ihr meint
> beide dasselbe.
>
> Der Rückkoppelwiderstand ist zu hochohmig, dadurch wird die
> Summierpunktkapazität zu wirksam (steht nicht im Datenblatt) und macht
> eine erhebliche zusätzliche Phasendrehung. Ein kleinerer Kondensator
> 100p-1n reicht auch. Der TL081 hat ohnehin nur wenig Phasenreserve.

Was genau versteht man unter Summierpunktkapazität?

Das heißt diese Summierpunktkapazität verbunden mit dem hochohmigen 
Widerstand ergeben bei einer Frequenz von 80kHz eine zusätzliche 
Phasendrehung von 180 bzw -180 Grad?

Was genau bedeutet Phasenreserve in Verbindung mit einer negativen 
Rückkopplung? Ist das der Betrag der Phase der nicht überschritten 
werden darf, da sonst das System eine Mitkopplung werden würde?

Bei meinen Messungen,auch bei deiner Simulation Kai,erkennt man, dass 
durch das Einfügen des Kondensators die Verstärkung sinkt. Also erkauft 
man sich die zusätzliche Phasenreserve durch eine geringere Bandbreite 
und somit einer kleineren Verstärkung bei höheren Frequenzen?

Mfg
Christoph

[ArnoR (Gast)]

Summierpunktkapazität ist die Kapazität, die am invertierenden Eingang 
wirksam ist (die 30p in der Schaltung von Kai). Diese Kapazität bildet 
mit dem Rückkoppelwiderstand einen Tiefpass, der zusätzlich zum TL081 
eine weitere Phasendrehung bewirkt und aus der Gegenkopplung eine 
Mitkopplung macht.
Phasenreserve ist der Winkel, der beim frequenzkorrigierten und 
gegengekoppelten Verstärker bei der Transitfrequenz noch bis 180° fehlt. 
Je größer diese Reserve, desto stabiler ist der Verstärker und desto 
weniger Überschwingen in der Sprungantwort. Bein TL081 sind es bei 
Verstärkung 1 nur 45°, d.h. eine zusätzliche Phasendrehung durch die 
äußere Beschaltung von 45° führt zu Schwingungen.
Der zusätzlich eingefügte Kondensator vergrößert nicht die 
Phasenreserve, sondern macht die Phasendrehung durch die 
Summierpunktkapazität in Verbindung mit den Rückkoppelwiderstand wieder 
rückgängig.

[Christoph A. (shadowrunner93)]

ArnoR schrieb:
> Summierpunktkapazität ist die Kapazität, die am invertierenden Eingang
> wirksam ist (die 30p in der Schaltung von Kai). Diese Kapazität bildet
> mit dem Rückkoppelwiderstand einen Tiefpass, der zusätzlich zum TL081
> eine weitere Phasendrehung bewirkt und aus der Gegenkopplung eine
> Mitkopplung macht.
> Phasenreserve ist der Winkel, der beim frequenzkorrigierten und
> gegengekoppelten Verstärker bei der Transitfrequenz noch bis 180° fehlt.
> Je größer diese Reserve, desto stabiler ist der Verstärker und desto
> weniger Überschwingen in der Sprungantwort. Bein TL081 sind es bei
> Verstärkung 1 nur 45°, d.h. eine zusätzliche Phasendrehung durch die
> äußere Beschaltung von 45° führt zu Schwingungen.
> Der zusätzlich eingefügte Kondensator vergrößert nicht die
> Phasenreserve, sondern macht die Phasendrehung durch die
> Summierpunktkapazität in Verbindung mit den Rückkoppelwiderstand wieder
> rückgängig.

Würde also die Außenbeschaltung der negativen Rückkopplung bei einem 
TL081 die Phasendrehung von 45 Grad bei 80kHz aufweisen, so würde es 
gänzlich zu einer Mitkopplung kommen, sehe ich das richtig?

Was genau beeinflusst dann die Größe des Kondensators? Wäre es möglich 
ihn so groß zu dimensionieren, sodass wiederum über den anderen Weg eine 
Mitkopplung ensteht?

[ArnoR (Gast)]

Verstehe deine Fragen nicht.
1. Der OPV schwingt dann, wenn Amplituden und Phasenbedingung erfüllt 
sind. Also Verstärkung >1 und Phase 0° also irgendwo unterhalb der 
Transitfrequenz. Wo genau, bestimmt das Rückkoppelnetzwerk und die 
Phasendrehung im OPV.
2. Falls du den "Kompensationskondensator" meinst, dessen Größe hängt 
von der Eingangskapazität, den Rückkoppelwiderstand, den parasitären 
Kapazitäten am Einbauort ... ab. Wenn er zu groß ist, wird aus dem 
Verstärker ein Integrator. Sieht man auch in der Simulation, die 
Amplitude des Sägezahns ist schon deutlich geringer.

[ArnoR (Gast)]

Hab dir mal den Phasengang des TL071 (~TL081) angehängt. Die 
Phasenreserve ist bei 3MHz 45°, nicht bei 80kHz oder woanders.

[Kai Klaas (Gast)]

>Hab dir mal den Phasengang des TL071 (~TL081) angehängt. Die
>Phasenreserve ist bei 3MHz 45°, nicht bei 80kHz oder woanders.

Hier ist das Bildchen von TI. Da sind es deutlich mehr...

>Würde also die Außenbeschaltung der negativen Rückkopplung bei einem
>TL081 die Phasendrehung von 45 Grad bei 80kHz aufweisen, so würde es
>gänzlich zu einer Mitkopplung kommen, sehe ich das richtig?

Bei 80kHz ist die Phasenreserve rund 90°. Anknabbern sollte man sie aber 
nur zu rund 60°, damit mindestens noch 30° Phasenreserve vorhanden ist. 
Es gibt übrigens Filterschaltungen, die das durchaus tun und trotzdem 
stabil arbeiten. Aber bei hohen Frequenzen sinkt die Phasenreserve 
beträchtlich, da darf man so etwas nicht wagen.

Es ist übrigens völlig unerheblich, wo deine Nutzsignalfrequenz hierbei 
liegt. Dort, wo die Phasenreserve aufgebraucht ist und noch genügend 
Verstärkung in der Schleife steckt, wird deine OPamp-Schaltung mehr oder 
weniger fröhlich schwingen. Egal, ob dein Nutzsignal gerade bei 80kHz 
liegt oder ganz wo anders...

>Was genau beeinflusst dann die Größe des Kondensators?

Das konkrete Umfeld, alle in der Gegenkopplung befindlichen Bauteile.

In der Regel ist da aber ein gewisser Spielraum bei der Wahl dieser 
Phase Lead Kapazität.

>Wäre es möglich ihn so groß zu dimensionieren, sodass wiederum über den
>anderen Weg eine Mitkopplung ensteht?

Aber ja. Wenn die Kapazität am invertierenden Eingang zu groß wird, 
beispielsweise bei Transimpedanzverstärkern mit großer 
Detektorkapazität, ist es oft nicht mehr möglich die Phase Lag zu 
kompensieren, weil die endliche Open Loop Ausgangsimpedanz des OPamp 
einfach zu groß ist. Hier ist dann die Gegenkopplungskapazität nur noch 
Teil der phasendrehenden Kapazität.

Kai Klaas