OP schwingt wie verrückt :-(

Gast #2173611
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Hallo,

anbei eine Schaltplan der mir kleine Rätsel aufgibt. Es handelt sich um 
eine Zweileiterschaltung die das 0,9-4,5 VDC Signal in einen 
eingeprägten Strom von 4-20 mADC umwandelt. Leider schwingt das ganze 
recht übel am Pin 7 um einige 100mVss.
Es scheint teilweise abhängig zu sein mit welcher 24VC Quelle gespeist 
wird. Bei einer Speisung per 24 VDC Akku sind die Schwingungen stärker 
als bei einem elektronischen (Trafo) Netzteil. Scheint also an der 
Impedanz der Spannungsquelle zu liegen. Oder an Störungen die den OP zum 
Schwingen anregen.
Der +5V Stabi MAX6035 braucht eigentlich keinen extra Kondensator am 
Ein- oder Ausgang. Man kann aber einen setzen.
Die 220pF von C5 am OP Ausgang können es ja auch nicht sein weil sie 
ohmsch vom Ausgang entkoppelt sind. Ich vermute der LMV358 ist da etwas 
empfindlicher als sein stromfressender großer Bruder LM358.
Die Diode D2 musste ich mal einfügen weil sonst die Schaltung nach dem 
einschalten gerne mal gegen den oberen Vorsorgungsanschlag lief und 
nicht mehr zurück kam.
Ich bin leider auch nicht fit genug um mal schnell das Bode-Diagramm 
abzuleiten. Das könnte ja vielleicht eine 180° Phasendrehung aufzeigen 
die ja zum Schwingen notwendig wäre.

Hat jemand konstruktive Vorschläge zur Lösung? Ich wäre für einen Tip 
dankbar :-)
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Gast #2173759
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@ArnoR:
> Es wäre ein Wunder, wenn die Schaltung nicht schwingen würde, weil der
> 358 intern für eine Schleifenverstärkung von 1 ohne jegliche zusätzliche
> Phasendrehung im Rückkoppelnetzwerk korrigiert ist. In deiner Schaltung
> tritt so viel Phasendrehung auf (R1T2C5,R2C9), dass es nicht gehen kann.

Ich kann ja mal R1, C5 und C9 entfernen. Mal schauen ob das etwas 
bringt. Den Hinweis auf die Schleifenverstärkung finde ich auf jeden 
Fall interessant. Danke!
Gast #2173894
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Ich habe mal mit TINA eine Stabilitätsanalyse versucht. -> 4...20mA.PNG

Der Analyse zu Folge ist die Schaltung phasenmäßig völlig instabil.

Ich habe deshalb eine "phase lead" Korrektur probiert. -> 
4...20mA_mod.PNG

Das Resultat ist eine stabile Phase mit genügend "phase margin" bis 
1MHz. Die Korrektur-Elemente bestehen aus dem 9k1 Widerstand und dem 1nF 
Cap. -> op_schaltung_mod.PNG

Die von dir eingefügte Diode hat zusätzlich einen schlechten Einfluß auf 
den Phasengang. Schuld hierfür ist ihre Sperrschichtkapazität. Die habe 
ich mit dem 4k7 Widerstand etwas isoliert.

Der 9k1 Widerstandswert erscheint merkwürdig, ist aber so gewählt, daß 
sich eine näherungsweise Biasstrom-Kompensation ergibt, da der LMV358 
ordentliche Eingangsströme zieht. Wird statt des LMV358 eine 
CMOS-Version gewählt, kann der 4k7 Widerstand ebenso wie der 9k1 
Widerstand auf 10k erhöht werden.

Jetzt sollte die Schaltung eigentlich funktionieren.
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Gast #2173920
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@Elena

> Der 9k1 Widerstandswert erscheint merkwürdig, ist aber so gewählt, daß
> sich eine näherungsweise Biasstrom-Kompensation ergibt, da der LMV358
> ordentliche Eingangsströme zieht.

Eigentlich ist der LMV358 schon der CMOS Typ com LM358. Wichtig war 
damals auch unbedingt den von STM zu nehmen weil der von National und 
Texas nicht bis oben an die Versorgung gehen konnte.

Ich denke mal am besten sollte es gehen wenn man vom LMV358 ein Spice 
Modell einbindet.

Ich danke Dir für die viele Arbeit und den Einblick in die Materie.
Gast #2174008
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@Elena

> Ich habe mal mit TINA eine Stabilitätsanalyse versucht. -> 4...20mA.PNG

Ich habe da noch eine Frage bzgl. der Simulation. Welche Knotenpunkte 
nimmt man wenn man das Bodediagramm korrekt aufnehmen möchte? Richtig 
wäre ja Ein- und Ausgang des OP. Also Pin 5 und 7? Das ist per 
Definition so oder ergibt sich aus der konkreten Schaltung?
Gast #2174213
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>Eigentlich ist der LMV358 schon der CMOS Typ com LM358.

Der hat aber BJT an den Eingängen mit den üblicherweise großen 
Eingangsströmen, ist also kein echter CMOS.

>Ich habe da noch eine Frage bzgl. der Simulation. Welche Knotenpunkte
>nimmt man wenn man das Bodediagramm korrekt aufnehmen möchte? Richtig
>wäre ja Ein- und Ausgang des OP. Also Pin 5 und 7? Das ist per
>Definition so oder ergibt sich aus der konkreten Schaltung?

Bei der Phasenstabilitätsanalyse geht es darum, die Phasenlage zwischen 
dem echtem, internen Ausgangssignal und dem Signal zwischen den 
Eingängen des OPamp festzustellen. Wegen der gewöhnlichen Kompensation 
des Frequenzgangs von OPamps, darf die Phasenverschiebung bei mittleren 
Frequenzen maximal -90° werden, bei höheren Frequenzen, je nach "phase 
margin" des OPamp -60°...-45°. Um genügend Reserve gegenüber den 
Unbestimmtheiten einer solchen Schaltung zu haben, also der ganzen 
Streukapazitäten, etc., dimensioniere ich meine Schaltungen so, daß bei 
niedrigen Frequenzen maximal -60° auftreten dürfen und bei der 
Grenzfrequenz maximal -30°. Das hat sich in der Praxis sehr bewährt.

Das Problematische an diesem Phasengang ist, daß man ihn nicht direkt 
messen kann, weil man niemals das echte, interne Ausgangssignal des 
OPamp abgreift, sondern immer nur hinter der "open loop" 
Ausgangsimpedanz von ein paar 100R.

Genau genommen kommt der reale OPamp in der Simulation garnicht vor, 
sondern lediglich die "open loop" Ausgangsimpedanz und die 
Eingangskapazitäten findet man in der Simulation wieder. Und die 
Leerlaufbandbreite des OPamp bestimmt bis zu welcher Frequnez die 
Stabilitätsanalyse durchzuführen ist. Anschließend schaut man dann, ob 
die simulierte Phasenlage mit der "phase margin" des OPamp konveniert.

Jetzt setze mal diesen 4k3 Widerstand und den 1nF Cap ein und überprüfe, 
ob die Schaltung jetzt arbeitet.

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