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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Leckstrom Operationsverstärker-Eingang


Autor: Christoph (Gast)
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Moin

ich dachte bisher dass reale Operationsverstärker einen Leckstrom am 
(nicht)invertierenden Eingang aufweisen der "in" den 
Operationsverstärker fließt.

Ist es auch andersrum denkbar?

Hintergrund ist eine astabile Kippstufe (siehe Bild) deren Frequenz bei 
Erhöhung des Eingangswiderstandes am invertierenden Eingang des OPV im 
1Megaohm gesunken ist.

Eigentlich habe ich erwartet, dass bei Erhöhung des Eingangswiderstandes 
ein geringere Leckstrom in den OPV fließt, der Kondensator damit 
schneller geladen wird und die Frequenz dadurch steigt.
Umgekehrtes war der Fall. (aus 12Hz wurden 6Hz)

Totaler Blödsinn oder denkbar?

Mess/Schaltungsfehler sind aber nicht ausgeschlossen.


mfg
Chriustoph

Autor: Käffchen (Gast)
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>Ist es auch andersrum denkbar?

Klaro!

Was hast du denn für einen OPamp?

Autor: Christoph (Gast)
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Kann ich leider nicht sagen, der war in einer grauen, 
vandalismussicheren Box. (War ein Versuch in der Uni und jetzt muss ich 
nachvollziehen was ich da gemacht habe ;-))

Autor: Käffchen (Gast)
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>Hintergrund ist eine astabile Kippstufe (siehe Bild) deren Frequenz bei
>Erhöhung des Eingangswiderstandes am invertierenden Eingang des OPV im
>1Megaohm gesunken ist.

Das macht auch Sinn, wenn überhaupt kein Strom in die OPamp-Eingänge 
hinein- oder herausfließt!

Autor: John Drake (drake)
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Christoph schrieb:
> ... (War ein Versuch in der Uni und jetzt muss ich
> nachvollziehen was ich da gemacht habe ;-))

Ups, und ich hätte fast eine Antwort gegeben.

Gut denk' selber ein bisschen nach: Wird der C wirklich nur geladen und 
nicht auch entladen? Welche Auswirkungen hat ein konstanter Strom der in 
(oder aus) den C fließt, auf die Lade- und Entladezeiten? Wird die 
Auswirkung auf die Periodendauer (Summe der Lade- und Entladezeiten) 
groß oder vernachlässigbar sein?

Welche Bauteile bestimmen (bei idealem OPV) die Frequenz? Könnte der 
Eingangswiderstand des realen OPVs einen Einfluss darauf haben?

Autor: Christoph (Gast)
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Also eigentlich habe ich das schon alles nachvollzogen.

Mit Ua = Versorgungsspannung von +/-15V (abzüglich 1-2V) bestimmt der 
Spannungsteiler über den nichtinvertierenden Eingang (R2,R3) letzendlich 
den Umschaltpunkt bzw. somit die maximale Kondensatorspannung.

Die Dauer bis zum Erreichen dieser Spannung ist bekanntlich vom Strom 
abgängig.

Bei idealer Betrachtung hat ein zusätlicher Eingangswiderstand am 
invertierednen Eingang keinerlei Auswirkung auf die Schaltung.

Bei nichtidealer Betrachtung ist klar dass ein - nun kleinere - 
Leckstrom fließt und der sich nun auch auf die Lade/Entladezeit des 
Kondensators auswirkt.

Nur war es halt andersrum als erwartet. Was entweder eine falsches 
Messen/Aufbauen der Schaltung bedeutet oder einen Leckstrom aus dem OPV 
heraus.

Bei den Gruppenversuchen bin ich nur nie ganz sicher ob nicht vielleicht 
wieder jemand am Oszi rumgespielt hat oder an der Schaltung rumgespielt 
hat  weswegen ich meinen Messdaten nie zu 100% trauen kann ;-)

Autor: Christoph (Gast)
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Mist ... was ich noch fragen wollte:

käffchen:
wie meinst du das? Ironisch? Ansonsten kann ichs nicht nachvollziehen.

Autor: Ulirch (Gast)
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Der Eingangsstrom bei realen Operationsverstärkern ist ganz verschieden. 
Das reicht von fast nichts, d.h kaum messbar, igendwo bei +-0,1 pA  über 
ein paar nA mit unbekannter Richtung bis zu einige hundert nA mit fester 
Richtung bei HF Typen.  Als Komplikation kommt noch dazu, das bei 
einigen Typen der Strom von der Spannungsdifferenz am Eingang abhängen 
kann.

Ohne den Typ des OPs zu kennen kann man da viel Spekulieren.

Autor: John Drake (drake)
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Schade, du denkst immer noch in die falsche Richtung...

Klar, das Verhältnis von R2 zu R3 bestimmt die Schaltpunkte und damit 
auch die Frequenz. Ist es aber nicht viel augenscheinlicher, dass das 
Produkt von C1*R1 die Frequenz bestimmt? Und dass bei Verwendung eines 
realen OPV dessen Eingangswiderstand unmittelbaren Einfluß auf diese 
Zeitkonstante hat?

Denk nocheinmal zurück: Welchen Wert hatte R1? Ein paar kOhm oder lag er 
nicht doch in der Größenordnung des OPV-Eingangswiderstandes?

Autor: Käffchen (Gast)
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>wie meinst du das? Ironisch?

Diesmal nicht.

Wenn R1 größer wird, dauert es ja länger, C1 umzuladen. Also nimmt die 
Periodendauer zu und folglich die Frequenz ab. Alles so, wie es sein 
soll.

Autor: Checker (Gast)
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> Eigentlich habe ich erwartet, dass bei Erhöhung des Eingangswiderstandes
> ein geringere Leckstrom in den OPV fließt, der Kondensator damit
> schneller geladen wird und die Frequenz dadurch steigt.
> Umgekehrtes war der Fall. (aus 12Hz wurden 6Hz)

Der Leckstrom hängt unter auch davon ab, wie groß der 
Spannungsunterschied zwischen den beiden OP-Eingängen ist. Wenn die 
Spannung am invertierenden Eingang niedriger als am nicht-invertierende 
Eingang ist, dann wird der Leckstrom aus dem invertierenden Eingangs 
herausfließen. Bei einer höheren Spannung genau umgekehrt.

Der Strom am invertierenden OP-Eingang fließt also immer in die gleiche 
Richtung wie der Strom durch R1, der Kondensator wird dadurch also 
schneller ge- oder entladen. Mit dem Reihenwiderstand schwingt es dann 
langsamer.

Autor: John Drake (Gast)
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@ (supatop)checker(bunny)

Du vergisst offensichtlich, dass es auch Bipolar-Eingangsstufen gibt. 
Dort wechselt der Biasstrom natürlich nicht seine Richtung!

Der erste Halbsatz deines 2 Absatzes ist richtig, der Rest ergibt keinen 
Sinn...

Autor: Checker (Gast)
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> Du vergisst offensichtlich, dass es auch Bipolar-Eingangsstufen gibt.
> Dort wechselt der Biasstrom natürlich nicht seine Richtung!

Ist das wirklich so? Wenn das Emitter-Potential des Differenzverstärkers 
deutlich über der Einganngsspannung liegt, dann muss der Leckstrom doch 
aus dem Eingang raus fließen. Das ist bei einem übersteuerten OPV der 
Fall.

Am anderen Eingang fließt der Strom in den OPV hinein. Wenn man die 
Spannungen umpolt, dann ändert sich doch auch die Stromrichtung an den 
beiden Eingängen?

> Der erste Halbsatz deines 2 Absatzes ist richtig, der Rest ergibt keinen
> Sinn...

Warum? Die Spannung am nicht-invertierenden Eingang springt ja, abhängig 
von der Ausgangsspannung. Wenn also der OP-Ausgang auf "High" liegt, 
dann fießt Strom durch R1 in den Kondensator und der Strom am 
inverierenden Eingang fließt auch in den Kondensator, so dass dieser 
schneller geladen wird.

Bei negativer Ausgangsspannung fließt der Strom am invertierende Eingang 
in den OPV, also aus dem Kondensator heraus. Der Strom durch R1 fließt 
auch aus dem Kondensaotr heraus. Durch den Strom in den Eingang wird der 
Kondensator also jetzt schneller entladen.

Autor: John Drake (Gast)
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Autor: Christoph (Gast)
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Ich glaube ja irgendwas is hier nicht ganz klar geworden.
Vielleicht habe ich mich auch nicht ganz klar ausgedrückt, aber 
"eingangswiderstand" meinte ich halt wörtlich.


Nochmal zwei Bilder ... die Widerstände haben andere Bezeichungen, aber 
damit kommt ihr wohl klar.


Und jetzt nochmal was ich meinte: Theoretisch ist zwischen den beiden 
Schaltungen ja kein Unterschied. Praktisch ja scheinbar halt schon.

Autor: Käffchen (Gast)
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>Ich glaube ja irgendwas is hier nicht ganz klar geworden.
>Vielleicht habe ich mich auch nicht ganz klar ausgedrückt, aber
>"eingangswiderstand" meinte ich halt wörtlich.

Das hat aber nichts mit "dem Eingangswiderstand des OPamp" zu tun. Was 
du meinst ist "ein zusätzlicher 1M Widerstand in Serie zum "-" Eingang 
des OPamp".

Also, in der Simulation ändert sich mit dem eingefügten 1M Widerstand 
die Periode nur sehr sehr wenig, das Tastverhältnis aber schon recht 
deutlich, je nach Eingangsstrom.

Autor: Checker (Gast)
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> Also, in der Simulation ändert sich mit dem eingefügten 1M Widerstand
> die Periode nur sehr sehr wenig, das Tastverhältnis aber schon recht
> deutlich, je nach Eingangsstrom.

Du kannst davon ausgehen, dass der Leckstrom in der Simulation nicht der 
realität entspricht, vor allem, wenn du den genauen Typ des OPV gart 
nicht kennst. Die Simulationsmodelle sind hier in der Regel sehr 
ungenau.

Autor: Käffchen (Gast)
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>Du kannst davon ausgehen, dass der Leckstrom in der Simulation nicht der
>realität entspricht, vor allem, wenn du den genauen Typ des OPV gart
>nicht kennst. Die Simulationsmodelle sind hier in der Regel sehr
>ungenau.

In TINA kann ich den Eingangsstrom einstellen. Außerdem folgt die dabei 
beobachtete Tastverhältnis-Empfindlichkeit schon dem gesunden 
Menschenverstand: Je größer der Eingangsstrom, um so unterschiedlicher 
die Auf- und Entladezeiten des Cap.

Autor: Johannes (Gast)
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> In TINA kann ich den Eingangsstrom einstellen...

Aber genau das ist das Problem. Wenn du den Strom auf irgend etwas 
einstellt, dann ist das vermutlich ein konstanter Bias-Strom; ich kenn 
mich mit TINA nicht aus.

Hier wird die OPV-Eingangsstufe aber stark übersteuert, so dass der 
Eingangsstrom nicht mehr konstant ist, sondern abhängig von der 
Eingangsspannung. Dieser Fall wird in einem einfachen Simulationsmodell 
nicht berücksichtigt. Deshalb verhält sich der reale OPV anders als 
deine Simulation.

Autor: Tilo L. (katagia)
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Ich finde das Wort Leckstrom ist ungünstig gewählt. Bei den Bipolartypen 
ist es ein normaler Basisstrom, der für den Stromspiegel benötigt wird. 
Auch bei den FET-Eingängen passt es nicht richtig, da hier der Strom vor 
allem durch die Gatekapazität bestimmt wird.

Autor: Käffchen (Gast)
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>Hier wird die OPV-Eingangsstufe aber stark übersteuert, so dass der
>Eingangsstrom nicht mehr konstant ist, sondern abhängig von der
>Eingangsspannung. Dieser Fall wird in einem einfachen Simulationsmodell
>nicht berücksichtigt. Deshalb verhält sich der reale OPV anders als
>deine Simulation.

Das ist zweifelos richtig. Aber dennoch wird sich dadurch die 
Stromrichtung des Eingangsstroms ja wohl nicht ändern, der Effekt auf 
das Tastverhältnis also bestehen bleiben.

Autor: Johannes (Gast)
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> Ich finde das Wort Leckstrom ist ungünstig gewählt. Bei den Bipolartypen
> ist es ein normaler Basisstrom, der für den Stromspiegel benötigt wird.

Dann heist er ja auch "Bias-Strom". Das gilt aber nur, wenn die 
Differenz-Spannung der beiden Eingangsspannungen relativ klein ist.

Das Schaltbild des 741 ist hier dargestellt:

http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalische...

Wenn man z.B. an die Basis von Q7 eine Spannung von -10V anlegt und an 
die Basis von Q8 +10V (bei +/- 15V Versorgung), dann geht die gemeinsame 
Emitterspannung auf ca. -9,3V (Spannung an BE-Diode ist mit 0,7V 
angenommen).

Am Transistor Q7 wird dann durch die BE-Diode der normale Basisstrom aus 
dem OPV heraus fließen. An Q8 wird diese Diode mit ca. 20V in 
Sperrichtung belastet, so dass ein Leckstrom von der Basis in den 
Emitter (und auch in den Kollektor) fließt. Der Strom fließt also in den 
OPV hinein.

Wenn man die Spannung anders rum anlegt, dann dreht sich auch die 
Richtung des Strom um.

Autor: Käffchen (Gast)
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>Das Schaltbild des 741 ist hier dargestellt:
>
>http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalische...

Das ist nicht die Innenschaltung des 741:

http://www.national.com/ds/LM/LM741.pdf

Außerdem darf man sich nicht von diesen idealisierten Schaltungen 
täuschen lassen. In so einer Eingangstufe sind tatsächlich vielmehr 
Bauteile vorhanden als in den "simplified schematics" gezeigt. Würden 
die Eingangstransistoren wirklich zenern, dann wären die im Datenblatt 
spezifizierten, hohen Differenszspannungen zwischen den Eingängen ja gar 
nicht möglich.

Autor: Johannes (Gast)
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> Das ist nicht die Innenschaltung des 741:
> http://www.national.com/ds/LM/LM741.pdf

OK, aber vom Prinzip her sind viele bipolaren OPV so ähnlich aufgebaut.

Auch nach der Schaltung aus dem Datenblatt ist es so, dass bei einer 
großen Differenzspannung an einem der beiden Eingangstransistoren die 
Basis-Emiter-Diode in Sperrrichtung betrieben wird bzw. hier sind zwei 
solche Dioden in Reihe.

> Außerdem darf man sich nicht von diesen idealisierten Schaltungen
> täuschen lassen. In so einer Eingangstufe sind tatsächlich vielmehr
> Bauteile vorhanden als in den "simplified schematics" gezeigt.

Gerade bei den alten OpAmps wie dem 741 waren gar nicht so viele 
Transistoren drin und die Schaltung ist im Prinzip schon vollständig 
(abgesehen von parasitären Diodenstrecken).

> Würden die Eingangstransistoren wirklich zenern, dann wären die im
> Datenblatt spezifizierten, hohen Differenszspannungen zwischen den
> Eingängen ja gar nicht möglich.

Das hab ich auch gar nicht behauptet. Aber es ist auf jeden Fall ein 
PN-Übergang, der in Sperrrichtung betrieben wird und dann müsste doch 
auch ein Leckstrom fließen.

Ich hatte eigentlich vor, mal eine Messung zu machen, weil mich das 
jetzt doch interessiert hat; allerdings war ein OPA27 der einzige 
Bipolar-OPV, den ich gefunden habe und der hat am Eingang zwei 
Schutzdioden, die die Differenzspannung begrenzen. Ich werde das bei 
Gelegenheit nachholen, dann werden wir ja sehen.

Autor: Käffchen (Gast)
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>Ich hatte eigentlich vor, mal eine Messung zu machen, weil mich das
>jetzt doch interessiert hat;

Ich habe jetzt mal die Schaltung 741biflop.PNG zusammengesteckt und über 
dem 1M Widerstand gemessen. -> 741biflop1.PNG

Der Massepin des Tastkopfes liegt dabei am kondensatorseitigen Ende des 
1M Widerstands. Wie man sieht, fließt in der zweiten Hälfte der Periode 
der zu erwartende "Input Bias" Strom von rund 18nA in den "-" Eingang 
des 741 hinein.

In der ersten Hälfte, in der also der Zenerleckstrom aus dem "-" Eingang 
des 741 herausfließen und einen positiven Spannungsabfall am 1M 
Widerstand versursachen sollte, bleibt die Spannung aber negativ. Eine 
Umkehrung der Stromrichtung des "Input Bias" Strom findet bei mir also 
nicht statt.

Autor: Johannes (Gast)
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> Ich habe jetzt mal die Schaltung 741biflop.PNG zusammengesteckt und über
> dem 1M Widerstand gemessen.

Gut, dann brauch ich die Messung nicht mehr machen. Ich habe aber zu der 
Messung noch eine Frage:

Am linken Bildschirmrand ist so ein kleiner schwarzer Balken bei ca. -4 
mV. Ist das die Null-Linie oder die Triggerschwelle?

Wenn es die Null-Linie ist, dann wäre der Strom nämlich schon positiv.

Was für einen Tastkopf hast Du dafür verwendet? Beim 1:1 Tastkopf hat 
man 1 MOhm Impedanz, so dass der Strom nicht 18nA, sondern etwa doppelt 
so groß ist. Aber darum geht es hier eigentlich gar nicht...

Autor: Käffchen (Gast)
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>Am linken Bildschirmrand ist so ein kleiner schwarzer Balken bei ca. -4
>mV. Ist das die Null-Linie oder die Triggerschwelle?

Das ist die Triggerschwelle, weil ich nicht gerade auf den 
Umschaltstörspike triggern wollte, sondern lieber auf die Flanke des 
Rechtecks. Deswegen habe ich die Triggerschwelle ein wenig 
heruntergezogen. Die "2" steht für den zweiten Kanal (PCS500 von 
Velleman).

>Was für einen Tastkopf hast Du dafür verwendet? Beim 1:1 Tastkopf hat
>man 1 MOhm Impedanz, so dass der Strom nicht 18nA, sondern etwa doppelt
>so groß ist. Aber darum geht es hier eigentlich gar nicht...

Du hast Recht. In der Eile habe ich das übersehen. Es sind in 
Wirklichkeit also rund 36nA.

Im Anhang findest du ein Scope-Plot mit der Triggerschwelle 0V. -> 
741biflop2.PNG

>Gut, dann brauch ich die Messung nicht mehr machen.

Doch, doch. Vielleicht zeigt eine anderer OPamp als der 741 ja ein 
anderes Verhalten?

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