opamp-Bandpass schwingt

[Waldgichtel (Gast)]

Guten Abend zusammen,

ich versuche eine Schaltung aufzubauen, die ein Mikrofonsignal 
auswertet. Enthält das Signal eine entsprechend starke 2kHz Komponente 
soll das Ausgangssignal der Schaltung high gesetzt werden ansonsten low.

Im Prinzip dachte ich sollte es ja nicht weiter schwer sein. Ein 
Bandpassfilter mit entsprechender Verstärkung bei 2kHz, ein Komperator 
nachgeschaltet und das sollte es sein. Diese Schaltung befindet sich 
auch im Anhang.

Das Problem ist nun, dass die gesamte Schaltung ziemlich genau mit 2kHz 
schwingt. Zuerst vermutete ich die 60dB Verstärkung sind arg 
übertrieben. (wie im Schaltplan eingezeichnet).
Daher habe ich Testweise die die Verstärkung heruntergesetzt.
Selbst wenn ich R6 herausnehme und nur den ersten Teil betrachte 
schwingt dieser. (Auch bei Verstärkung = 1)

Hat hierzu jemand einen Tip?

Toni

[Kai K. (klaas)]

>Das Problem ist nun, dass die gesamte Schaltung ziemlich genau mit 2kHz
>schwingt.

Für die hohe Güte (~20) sind die OPamps viel zu langsam. Die sollten 
hier mindestens 10...20MHz "unity gain bandwidth" haben.

Die 10n Entkopplungen in den Betriebsspannungen sind viel zu klein. Da 
sollten mindestens 100n hin. Besser noch RC Glieder mit 47R/47µ o.ä.

In Serie zu D1 würde ich noch einen 47...100R Widerstand hinmachen.

[Helmut S. (helmuts)]

Mach da mal schnell einen anderen Opamp rein. Der AD8544 verträgt nur 
maximal 6V, also +/-2,5V oder 0V und 5V, aber auf keinen Fall +/-5V.

[Waldgichtel (Gast)]

Besten Dank für die schnelle Antwort.

Bei der Betriebsspannung hab ich nun wirklich gepennt grml. 
Ärgerlich.Bei der Unity Gain wars die Unwissenheit :(.
So ganz klar ist mir der Zusammenhang zwischen Filtergüte und benötigter 
unity Gain noch nicht. :(

So wenn ich das ganze jetzt bei +-2.5V betreibe und so wie jetzt die 
Güte mal stark verringer, habe ich dann eine Chance das so in Betrieb zu 
setzten?

(Blockkodenstatoren werden auch noch geautscht :)). Würde die unity gain 
von 1MHz so ausreichen?

Toni

[Helmut S. (helmuts)]

Hab es mal simuliert, Mit GBW=10MHz verschiebt sich die Mittenfrequenz 
um 60Hz nach oben. Ansonsten ändert sich praktisch nichts.
Die Simulation wurde mit LTspice gemacht.
bandpass.gif verwendet den UniversalOpamp2 mit variablem GBW. Die 
Ergebnisse bei GBW=1MHz passen recht gut zum Modell vom 1MHz AD8544.

[Waldgichtel (Gast)]

Danke für die Simulation. Mit dem spice Modell von analog devices hatte 
ich auch schon simuliert. Aber selbst meine erste "Dimensionierung" 
hatte dort einwandfrei funktioniert.
Mal zum Verständis, eine zu geringe unity gain ist nicht unbedingt für 
das Schwingen verantwortlich oder? Das wurde eher durch meine zu hohe 
Versorungsspannung hervorgerufen oder? (oder auch wegen den zu kleinen 
Blockkodensatoren?)
Kanns leider erst Morgen ausprobieren :9, Intressiert mich allerdings, 
um mal etwas ein Gefühl dafür zu bekommen was Hauptverantwortlich dafür 
ist.

Toni

[Helmut S. (helmuts)]

Mene Simuation wurde mit der ursprünglichen Schaltung gemacht. Ich 
glaube aber nicht, dass es an der zu hohen Betriebsspannung liegt.

[Abdul K. (ehydra)]

Wenn du symmetrische Speisung verwendest, müssen die OpAmps an die 
Spannungsenden ran. Sieht so aus, als wären die bei dir auf V+ und der 
Mitten-GND. Oder??

[Kai K. (klaas)]

>So ganz klar ist mir der Zusammenhang zwischen Filtergüte und benötigter
>unity Gain noch nicht.

R2 // R3 in deinem ersten Entwurf ist 227R. R1 ist 300k. Also ergibt 
sich für die Güte Q:

4 x Q^2 = 300k/227 = 1322, also Q = 18,2.

Die Schaltung hat bei der Mittenfrequenz des Bandpasses von rund 1900Hz 
also eine Verstärkung von V = 2 x Q^2 = 662.

Damit der Verstärker überhaupt noch linearisierend gegenkopppeln kann, 
fordert man vom OPamp eine Verstärkungsreserve von mindestens Faktor 10. 
Der OPamp muß bei 1900Hz also eine Leerlaufverstärkung von mindestens 
rund 6600 haben.

Bei einem üblichen Abfall der Leerlaufverstärkung von 20dB pro Dekade 
bei einem normalen OPamp, ergibt sich daraus eine UGB von 1900Hz x 6600 
= 12,5MHz.

Dein AD8544 bringt es aber nur auf 1MHz. Damit ist der OPamp 
hoffnungslos überfahren und arbeitet alles andere als linear. Die 
Erfahrung lehrt, daß ein solchermaßen überfahrener OPamp in einer 
Bandpaßschaltung hoher Güte dann gerne schwingt, auch wenn dir eine 
Simulation das nur selten zeigt.

Ein anderer Grund für das Schwingen genau auf der Mittenfrequenz des 
Bandpasses kann kapazitives Rückkoppeln vom Ausgang des Bandpasses auf 
den Eingang sein. Versuche also möglichst großen Abstand vom Ausgang des 
Bandpasses zum Eingang einzuhalten. Auch simples Abschirmen wirkt hier 
Wunder.

Eine andere Möglichkeit des Rückkoppelns besteht über die 
Versorgungsspannung. Deswegen habe ich dir ja eine wirksamere 
Betriebsspannungsentkopplung empfohlen.

Auch über eine unvollkommene Masseverbindung kann eine solche 
unerwünschte Mitkopplung entstehen. Das sind dann die Situationen, in 
denen der saubere Aufbau auf einer Platine klaglos funktioniert, der 
Breadboardaufbau aber heillos schwingt. Achte also auf eine saubere, 
niederohmige und niederinduktive Masse und achte darauf, daß keine 
Masseströme der Ausgangsstufe über die Masse der Eingangsstufe fließen. 
Die besten Resultate erzielst du mit einer durchgehenden Massefläche und 
einer strikten räumlichen Trennung von Eingangs- und Ausgangsstufe.

[Waldgichtel (Gast)]

Guten Abend,

Habe nun alles Angesprochene geändert und siehe da, es funktioniert. (Im 
Prinzip die Dimensionierung wie in meinem zweiten Anlauf gepostet)
Besten Dank für die Hilfe und die ausführliche Erklärung.

Schönen Abend.

Toni