Hallo Community,
ich habe eine Frage bezüglich OP - Grundlagen.
Angenommen ich habe:
- OP-Schaltung: nichtinvertierender Verstärker
- konstante Verstärkung (über Widerstände)
- Eingangssignal: sinus
Wie bekomme ich nun hier Parameter, wie die Grenzfrequenz des Systems
raus? Also bis wann ist am OP Ausgang noch ein ordentlicher Sinus zu
sehen. Dieser Punkt ist stark von der Amplitude des Eingangssignals
abhängig. Hier müsste die Slew-Rate der entscheidene Wert sein?! Aber
müssten nicht eigentlich schon alle Informationen im
Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt stecken (Grenzfrequenz bei bestimmter
Verstärkung, unabhängig von Eingangsamplitude)?
Besten Dank!
TT1 schrieb:> Also bis wann ist am OP Ausgang noch ein ordentlicher Sinus zu> sehen.
Die Frage sollte eher lauten: ab welcher Frequenz ist nur noch ein
Sinus zu sehen?
TT1 schrieb:> Hier müsste die Slew-Rate der entscheidene Wert sein?!> Aber müssten nicht eigentlich schon alle Informationen im> Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt stecken?
Das sind eh' nur zwei Seiten der selben Medaille...
Die Slew-Rate bezieht sich allerdings eher auf sprungartige Änderungen
des Ausgangssignals. Sie gibt also die maximale Steigung an. Bei einem
Sinus tritt diese Steigung nur im Nulldurchgang auf.
Die erreichbare Slewrate wird sowohl durch den Wert im Datenblatt als
auch durch das Verhältnis Frequenz_des_Signal*Verstärkung zu GBW
bestimmt. Die Slewrate im Datenblatt ist dabei der maximal erreichbare
Wert.
Danke für eure Antworten!
Was ich einfach noch nicht verstehe:
Es gibt OP's, welche eine hohe Slew Rate haben allerdings auch ein
relativ kleines GBW. Wie kann man sich das erklären?
Viele Grüße
Slew Rate und GBW sind nicht unbedingt automatisch gekoppelt.
Hohe SlewRate bedeutet üblicherweise auch eine rel. gute
Großsignalfähigkeit bei rel. hohen Frequenzen. Wenn die nur eine geringe
SlewRate hätten, würde die GBW nur bei kleinen Signalspannungen stimmen.
Bei größeren Signalen klappen die dann ein, wenn die SlewRate nicht
mehr ausreicht (das Signal wird dann eher dreieckig).
SlewRate wird übrigens vorrangig von der Endstufe des OPV bestimmte,
weil es dort um größere Spannungshübe geht. GBW eher von der Gesamtheit
des OPV.
Super Antwort, vielen Dank!
Wenn man einen Sinus hernimmt und nur die Amplitude variert bekommt man
auch verschiedene Steilheiten ohne das die Frequenz verändert wird.
Demnach wird die GBW durch die interne Gegenkopplung (Miller-Effekt?)
verursacht und die Slew Rate durch die Kapazitäten der
Endstufentransistoren, bzw. wie schnell da ein und ausgeräumt werden
kann um eine gewisse Spannung zu erzeugen. Sehe ich das richig?
TT1 schrieb:> Sehe ich das richig?
Fast.
Die meisten Opamps haben an den Eingängen einen Differenzverstärker, der
die Eingangsspannungsdifferenz in einen Strom umsetzt. Dieses Stromsig-
nal wird durch die Miller-Kapazität der nachfolgenden Verstärkerstufe
tiefpassgefiltert. Die Slewratebegrenzung entsteht wie die GBW genau an
dieser Stelle.
Die GBW ist u.a. proportional zur Transkonduktanz des Differenzverstär-
kers, die Slewrate zu dessen maximalem Ausgangsstrom, der wiederum durch
den Ruhestrom bestimmt wird.
Da Transkonduktanz und Ruhestrom zwei voneinander unabhängige Größen
sind, sind es die GBW und die Slewrate ebenfalls.
Hier mal die Formel für die Grenzfrequenz.
v0 eingestellte Verstärkung, z. B. 10.
v(f) ist die tatsächliche Verstärkung abhängig von der Frequenz.
GBW ist das Verstärkungsbandbreitenprodukt
v(jf) = v0/(1+jf*v0/GBW)
|v(f)| = v0/sqrt(1+(f*v0/GBW)^2)
Das ergibt die Grenzfrequenz fg
fg = GBW/v0
------------
Die Formel gilt, solange die "slewrate" nicht überschritten wird.
Super, in den Erklärungen steckt viel Verständnis!
Ich nehme an das ein Überschreiten der Slew-Rate mit der Überschreitung
der Steigung im Nulldurchgang (max. Steigung) des Sinus definiert ist?
Mal etwas konkreter:
Ich habe ein Messsignal was ich verstärken (Großsignalverstärkung =>
Slew-Rate wichtig) möchte.
Details:
- Frequenz: 20 kHz - 500 kHz (also kein Sinus)
- Verstärkungsfaktor: 4
- hoher Scheitelfaktor (niedriger Effektivwert, hohe Peaks)
- maximale Eingangsamplitude: 2,5 V (Ausgang: 10 V)
Rechnung:
max. Steigung Funktion = A * w = 10 V 2 PI * 500 kHz = 31 V/us
Ich habe den Baustein AD 746 ausgewählt. Hat eine Slew Rate von 75 V/us.
V0 = 4, f = 500 kHz, GBW = 13 MHz
|v(f)| = v0/sqrt(1+(f*v0/GBW)^2) = 3,95 (rel. Fehler: -1,2 %)
Ist das Vorgehen gut oder habe ich etwas relevantes vergessen? Ist die
Gruppenlaufzeit eigentlich Amplituden- und Verstärkungs unabhängig? In
welchen Fällen ist ein niedriger Biasstrom und eine niedrige
Offsetspannung wichtig bzw auf was ist zu achten?
Vielen Dank !!!
Ja deine Rechnung stimmt.
Sinusausgangsspannung: 10V*sin(2*pi*f*t)
Steigung ist die Ableitung also 10V*2*pi*f*cos(2+pi*f*t)
Maximale geforderte Steigung: 10V*2*pi*f
Die mögliche slwerate im Datenblatt muss dann größer als dieser Wert
sein.
TT1 schrieb:> Details:> - Frequenz: 20 kHz - 500 kHz (also kein Sinus)Helmut S. schrieb:> Sinusausgangsspannung: 10V*sin(2*pi*f*t)
Ist das ein Widerspruch zwischen "kein Sinus" und
"Sinusausgangsspannung"?
Bei 500kHz Rechteck und 10Vss komme ich auf eine Slew Rate von 400 V/µs.
Bei 500kHz Sinus und 10Vss komme ich auf eine Slew Rate von 16,7 V/µs.
Die andere Möglichkeit ist natürlich, das ich was falsch verstanden
habe, was öfters vorkommt ;)
> Bei 500kHz Rechteck und 10Vss komme ich auf eine Slew Rate von 400 V/µs.
Falsch, beim Rechteck ist die SlewRate immer unbegrenzt groß, und zwar
unabhängig von der Frequenz oder Amplitude.
Danke für die Antworten.
Das Signal ist kein Sinus, kein Rechteck, kein Dreieck, es ist
undefiniert in seiner Form. Man kann allerdings jedes Signal in seine
Spektralanteile (Sinus) zerlegen. Demnach habe ich zur Worst-Case
Abschätzung den höchsten Spektralanteil (500 kHz) zusammen mit der
höchsten Amplitude betrachtet.
Hat noch wer Tips wegen:
"Ist die Gruppenlaufzeit eigentlich Amplituden- und Verstärkungs
unabhängig? In welchen Fällen ist ein niedriger Biasstrom und eine
niedrige
Offsetspannung wichtig bzw. auf was ist zu achten?"
Solange Du mit den Frequenzen deutlich unter den Grenzen des OPV
bleibst, dürften Laufzeiten keine Rolle spielen.
Die Laufzeiten dürften aber mit der Aussteuerung variieren, denn je nach
gerade aktuellem Pegel befinden sich die internen Transis immer in
bestimmen Arbeispunkten, die dann diverse andere Parameter (z.B.
Sperrschichtkapazitäten) ändern. (in der Amplidute hängt ja irgendwie
die Verstärkung mit drin - ist also nicht separat betrachtungswürdig ;-)
Bias/Offset: was hat das jetzt mit den dyn. Dingen zu tun? Klar, wenn Du
den Offset änderst, andern sich auch gewisse Arbeitspunkte - also s.o.
Und Bias kannste doch sowieso nicht ändern, wenn einmal für einen
bestimmten OPV festgelegt.
> Hat noch wer Tips wegen:
"Ist die Gruppenlaufzeit eigentlich Amplituden- und Verstärkungs
unabhängig?
Die Gruppenlaufzeit hängt nicht von der Amplitude ab.
Die Gruppenlaufzeit steigt mit der Verstärkung da die Bandbreite sinkt.
Danke für die Antworten!
Noch ein paar Fragen:
1.) Messung der Slew-Rate: Rechteck auf Eingang geben und die lineare
Steigung am Ausgang beobachten?
Bei dieser Messung kam ich auf eine Slew Rate von 5 V/us, obwohl es laut
Datenblatt 9 V/us sein sollten. Ich denke der Fehler ist zu groß um ihn
mit Toleranzen erklären zu können. Kann dies an Punkt 2 liegen?
2.) Wie schaut der Zusammenhang zwischen Ausgangswiderstand,
Versorgungsspannung zur Slew-Rate aus?
3.) Hat jmd von euch eine gute Informationsquelle über
Operationsverstärker? Kann auch etwas theoretischer sein (Stromspiegel
usw.), ich will die Dinger aber auch nicht bauen können.
Vielen Dank!
1) Ja.
2) Wovon die SlewRate bestimmt wird, hat Yalu X. oben gesagt. Die
Arbeitspunktströme im OPV sind etwas von der Vcc abhängig und ebenso die
sonstigen parasitären Kapazitäten. Beides ergibt eine mit der Vcc
steigende SR.
3) Tietze/Schenck
Offset und Bias, sollte man je nach Anwenduung im augebehalten.
Der Offset ruft einen Fehler im amplituden endwert hervor. Der Offset
ist auf den Eingang bezogen und wird mit der Verstaerkung verstaerkt.
Bei einem Offset von 10mV und einer Verstaerkung von 4 kann der Endwert
um 40mV falsch sein.
Der Bias ist der Eingangssstrom. Wenn man einen Integrator baut ist 1uA
Bias nicht besonders guenstig, denn der Integrator integriert den
Eingangsstrom der Schaltung, hier minus den Bias. Ebenso ist er zu
beachten, wenn man hochohmige Quellen verwendet. Dann fuehrt er zu einem
Offsetfehler.
Schnelle OpAmps haben meist einen hoeheren Offset und einem hoeheren
Bias.
All diese Dinge sind unter Theorie des Opamp zu finden.
>1.) Messung der Slew-Rate: Rechteck auf Eingang geben und die lineare>Steigung am Ausgang beobachten?>Bei dieser Messung kam ich auf eine Slew Rate von 5 V/us, obwohl es laut>Datenblatt 9 V/us sein sollten. Ich denke der Fehler ist zu groß um ihn>mit Toleranzen erklären zu können. Kann dies an Punkt 2 liegen?
Die SlewRate wird oft/meistens wohl nur für einen bestimmten Sprung
angegeben, also z.B. nur eine 5V hohe Flanke in der Mitte des
Aussteuerungsbereiches, und definierten Bedingungen, wie Last,
Verstärkung, Eingangpegel ....
Danke!
Ich habe leider ein Problem mit Überschwingern (siehe Anhang). Das
Orange ist die Sollkurve, das grüne nach der Verstärkerstufe. Es
existiert eine kleine Verzögerung, ist aber irrelevant. Von der
Slew-Rate (20 V/us) sollte der Baustein eigentlich ausreichend sein und
das GBW spielt keine Rolle. Woher kommt das Problem?
Es handelt sich bei dem Bauteil (Grafik) auch nicht um einen
Operationsverstärker, sondern um einen Multiplizierer
(Verstärkungsfaktor 1).
Von den Begrifflichkeiten sind Multiplizierer ähnlich wie
Operationsverstärker.
1.) Tip wie man das Problem mit den Überschwingern beheben kann? Es
tritt halt erst auf, wenn die abfallende Flanke eine gewisse Steilheit
(kann man einstellen) erreicht, obwohl es nicht im Konflikt mit der
Slew-Rate steht.
2.) Interessant fande ich, dass der Effektivwert im Zusammenhang mit der
Bandbreite steht, was ja beim OPV nicht existiert (Erklärung?). Können
Probleme wie die Verzögerung von der Bandbreite kommen?
