Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OP als Schmitt Trigger


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von Dual-Power (Gast)


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Ich mal wieder in der neuen Welt der OPV

Ich habe mir hier aus dem Forum dieses durchgelesen
http://www.mikrocontroller.net/articles/Schmitt-Trigger

Soweit auch, dachte ich, alles verstanden. Doch bin ich nun von der 
Theorie in die Praxis übergegangen und dieses mal aufgebaut. Ich habe 
mir ein LM358 besorgt und versucht ein Sinussignal in ein Rechteck zu 
bekommen. Ist eine Frequenz von 125KHz zu schnell? Wie bekomme ich 
herraus wie schnell welcher OPV ist. Im Datenblatt vom LM358 lese ich 
nix.

von Wilhelm F. (Gast)


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Dual-Power schrieb:

> Ist eine Frequenz von 125KHz zu schnell?

Ab einer bestimmten Frequenz spielt er also nicht mehr richtig.

> Im Datenblatt vom LM358 lese ich
> nix.

Sowas wie Slew-Rate oder Transitfrequenz sollten dort aber drin stehen.

von Dual-Power (Gast)


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Habe die Schaltung vergessen.

von Dual-Power (Gast)


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V2 ist ein Signal von 6Volt auf 7.5Volt, Triggern sollte er bei 6,7Volt.

von Harald W. (wilhelms)


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Dual-Power schrieb:

> Ich habe mir ein LM358 besorgt und versucht ein Sinussignal in ein
> Rechteck zu bekommen. Ist eine Frequenz von 125KHz zu schnell?

Ja! Grundsätzlich kann man zwar auch mit einem OPV einen Schmitt-
Trigger bauen; besser ist es aber da, wenn man gleich einen Kompa-
rator wie z.B. den LM339 nimmt.
Gruss
Harald

von MaWin (Gast)


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> Ist eine Frequenz von 125KHz zu schnell?

Für den LM358: Ja.

Der geht ungefähr bis 12.8kHz.

Der OpAmp als Schmitt-Trigger hat das zweite problem,
daß die Umschaltschwellen nicht genau definiert sind.

Am Ausgang kommen nämlich nicht 0V und 13.5V raus,
sondern je nach Widerstandsbelastung ungefähr 0.6V
und 11V, was aber kaum einer richtig ausrechnet.

Daher sind Komparatoren mit ihrem open collector
Ausgang besser, die schalten bis fast 0V und verbinden
mit 13.5V über einen definierten Widerstadn den man
mitrechnen kann.

Mit den Rail-To-Rail OpAmp wie TS912 ist die
Berechnung cniht mehr so ungenau, aber sie sind
trotzdem langsamer als ein echter Komparator wie LM339.

von F. F. (foldi)


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MaWin schrieb:

>
> Mit den Rail-To-Rail OpAmp wie TS912 ist die
> Berechnung cniht mehr so ungenau, aber sie sind
> trotzdem langsamer als ein echter Komparator wie LM339.

MaWin, darf ich dich mal fragen was du beruflich machst und was du 
gelernt hast?

von Wilhelm F. (Gast)


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Dual-Power schrieb:

> V2 ist ein Signal von 6Volt auf 7.5Volt, Triggern sollte er bei 6,7Volt.

Vorsicht mit den Triggerschwellen bei den verwendeten OP-Typen, wenn 
diese keinen Rail-to-Rail-Output haben!

Dann steuern die Outputs nie voll bis an die Betriebsspannung durch, und 
das ganze ist auch noch unsymmetrisch. Es gibt sich unter Umständen eine 
Verschiebung der Triggerschwelle.

Ich hatte das Phänomen an einem AMV mit TL062, da ist es ähnlich. Je 
kleiner die Betriebsspannung wurde, leer werdende Batterie, desto 
unsymmetrischer wurde das Tastverhältnis am Ausgang, wo ich über einen 
Transistor hochohmig ausgekoppelt eine LED als Blinker dran hatte. Am 
Ende blinkte die LED nur noch so, daß sie sehr lange an war und nur ganz 
kurz aus. Der Fehler der maximalen und minimalen Ausgangsspannung wird 
mit abnehmender Betriebsspannung immer größer.

Bei meinem AMV läuft der OP ja auch als Schmitt-Trigger, nur mit dem 
Unterschied, daß er sich selbst umschaltet.

Also wenn schon, dann besser einen Rail-to-Rail-Typen, oder, wie Harald 
sagt, einen Komparator.

von Dual-Power (Gast)


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Die Welt in die OPV ist echt nicht einfach. Was ist nun Rail-to-Rail? 
Und wie bekomme ich raus welch ein OPV ich brauche bei welcher Frequenz. 
Habe beim LM358 echt nix gefunden. Wollte doch nur ein 125KHz Signal in 
ein Rechteck verwandeln, ist das so schwer?

von Christian B. (casandro) Flattr this


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Wenn Du nur Sinus in Rechteck umwandeln willst, nimm einen Inverter mit 
Schmitt Trigger. So was gibts in den Standard CMOS Baureihen schon 
fertig.

Schalte davor einen C-R Hochpass, wobei Du mit dem R auf eine Spannung 
zwischen der Versorgungsspannung gehst (idealerweise einstellbar).

von Dual-Power (Gast)


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Nun ich wollte ja die OPV verstehen lernen.

von Wilhelm F. (Gast)


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Dual-Power schrieb:

> Nun ich wollte ja die OPV verstehen lernen.

Damit fing ich selbst mal klein an:

Dieter Nührmann: Operationsverstärker für Einsteiger. Kleines 
Taschenbuch vom Franzis-Verlag, es kostete 1990 etwa 10€.

Nur als Beispiel, es gibt da in der Richtung sicher mehrere gute Werke.

In ein paar Sätzen den OP verstehen, das würde hier eindeutig den Rahmen 
sprengen. Den idealen OP versteht man indessen schnell. Aber den hat man 
ja in der Praxis nicht.

Das Tutorial hier im Forum hat schon einiges, kann aber ein gutes Buch 
auch nicht vollständig ersetzen. Deshalb hat es am unteren Ende auch 
noch mal eine Liste mit weiter führender Literatur.

Wenn man schon ein wenig kennt, kann man sich aber auch mal quer durchs 
Internet klicken.

Basteleien und Simulationen gehören zum Verständnis natürlich auch dazu.

Der LM358 ist für viele Zwecke trotzdem ein guter OP, wie der 741 auch. 
Mit Kanonen auf Spatzen schießen, das muß nicht immer sein. Das sehe ich 
schon an meinem Tabellenbuch mit Tausenden Typen. Warum brauchte man 
tausend Typen, wenn es doch den einen Super-OP gäbe? Bei jedem ist eine 
oder mehrere Eigenschaften gut ausgeprägt, andere Eigenschaften nicht 
so. Das kommt immer auf den Einsatzzweck an. Der eine ist Low-Power, 
dafür ist er lahm. Der andere High-Speed, dafür energiefressend. Der 
nächste hat gleich mehrere gute Eigenschaften, dafür ist er sehr teuer. 
Nur als Beispiel.

von Dual-Power (Gast)


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Jenes Buch?

http://www.amazon.de/s/ref=nb_sb_noss?__mk_de_DE=%C5M%C5Z%D5%D1&url=search-alias%3Daps&field-keywords=3772315135

Aber noch mal ne Frage. Kann ich einen OP mit 5Volt betreiben ihn aber 
13Volt am eingang stellen oder ist er danach nicht mehr am leben.

So ein Schmitt Trigger ist ja klasse aber ich muss ja das wieder runter 
auf 5Volt bekommen. Also warum nicht gleich mit 5Volt betreiben.

Habe jetzt zum verstehen mal eine kleiner Frequenz genommen. da macht es 
der LM358. Nun aber daraus 5Volt machen.

von F. F. (foldi)


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> Der LM358 ist für viele Zwecke trotzdem ein guter OP, wie der 741 auch.
> Mit Kanonen auf Spatzen schießen, das muß nicht immer sein. Das sehe ich
> schon an meinem Tabellenbuch mit Tausenden Typen. Warum brauchte man
> tausend Typen, wenn es doch den einen Super-OP gäbe? Bei jedem ist eine
> oder mehrere Eigenschaften gut ausgeprägt, andere Eigenschaften nicht
> so. Das kommt immer auf den Einsatzzweck an. Der eine ist Low-Power,
> dafür ist er lahm. Der andere High-Speed, dafür energiefressend. Der
> nächste hat gleich mehrere gute Eigenschaften, dafür ist er sehr teuer.
> Nur als Beispiel.

Wobei wir wieder bei einem anderen Thema landen. Leider bekam ich da 
keine nützliche Antwort.

Es gibt von Elektro ein DVD und die VTR DVD. Ist die VTR zu empfehlen 
oder gibt es noch andere Vergleichsdatenbanken?

Woher soll jemand wissen was besser geeignet ist, bzw. was Passendes für 
seine Anwendung finden?
Ich hatte auch verschiedene OPV's gekauft, um mit ihnen zu üben, unter 
anderem auch den 358.

von MaWin (Gast)


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> Aber noch mal ne Frage. Kann ich einen OP mit 5Volt betreiben ihn aber
> 13Volt am eingang stellen oder ist er danach nicht mehr am leben.

Normalerweise stirbt er.
Es gibt besondere OpAmps "over the top" die das abkönnen,
wie LT1490/LT1491/LT1638/LT1639,

oder man hat einen ausreichend grossen Vorwiderstand,
so 100k reichen oft, damit nicht zu viel Strom fliesst,
aber richtig messen tut der OpAmp damit nicht mehr.

Beim LKM358 sollte man höchstens sogar 1.5V weniger
an die Eingänge machen als er an Versorgungsspannung hat.

Es gibt noch viel zu lernen...

http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.30.1
http://www.ti.com/lit/an/slod006b/slod006b.pdf

Für 125kHz tut es ein LM339 Komparator oder ein LM7171,
der sogar recht gut (steile Flanken) oder TL071 (leidlich),
aber beide sind nicht Rail-To-Rail.

von Harald W. (wilhelms)


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Dual-Power schrieb:

> Die Welt in die OPV ist echt nicht einfach.

Ja, man muss vor allen den Unterschied zwischen "idealen" und "realen"
OPVs beachten. Da je nach Anwendung unterschiedliche Parameter wichtig
sind, braucht man auch unterschiedliche OPVs.

> Was ist nun Rail-to-Rail?

Nach soch unbekannten Wörtern googlet man am Besten. Insbesondere bei
Wikipedia findet man da einen guten Einstieg für Erklärungen.

> Und wie bekomme ich raus welch ein OPV ich brauche bei welcher Frequenz.

Da hilft das Datenblatt. Wobei Frequenzen teilweise "verschlüsselt"
als Anstiegsgwschwindigkeiten zu finden sind.

> Wollte doch nur ein 125KHz Signal in ein Rechteck verwandeln,
> ist das so schwer?

125kHz Rechteck sind zumindest für 30 Jahre alte OPVs schon sehr viel.
Modernere Typen, wie man sie aber nicht immer bei Conrad/Reichelt
bekommt, tun sich da nicht so schwer. Und für Schmitt-Trigger nimmt
man eben den Spezialist "Komparator". Wobei der LM339 auch schon
30 Jahre alt ist; für Deinen Zweck reicht er aber.
Gruss
Harald

von Dual-Power (Gast)


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Habe jetzt mal geschaut, der TL081 müsste doch auch gehen oder? Extra 
einen bestellen zum lernen ist das Porto ja schon schmerzend.

von Wilhelm F. (Gast)


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Dual-Power schrieb:

> Jenes Buch?
>
> 
http://www.amazon.de/s/ref=nb_sb_noss?__mk_de_DE=%C5M%C5Z%D5%D1&url=search-alias%3Daps&field-keywords=3772315135

Wow! Das gibt es ja immer noch. Aber wie gesagt, es obliegt dem 
persönlichen Geschmack, was man da sucht und findet. Ich fand es damals 
in einem Buchladen der Großstadt, wo man vor dem Kauf auch probelesen 
kann. Das war ja bei mir auch noch vor der Internet-Zeit, und der 
Buchhandel meine einzige Informationsquelle.

Ich weiß leider nicht, ob dieses Buch heute noch Up-to-Date ist, und was 
neuere Auflagen für Inhalte haben, ob da mal was angepaßt oder erweitert 
wurde, wie bspw. der Tietze-Schenk. Grundlagen sind und bleiben aber 
Grundlagen, und wenn sie 100 Jahre alt sind.

Wenn ich heute ein Buch möchte, dann gehe ich immer noch mal in die 
Stadt, in einen Buchhandel, und schaue mir die dortige Buchauswahl vor 
Ort an.

Manchmal hat man auch die Möglichkeit, eine FH- oder Uni-Bibliothek zu 
besuchen, und sich was zu leihen. Oder auch nichts leihen, sich einfach 
ein paar Stunden dort hin setzen und stöbern und lesen.

An Literatur habe ich einiges an 40 Jahre altem Zeugs, was ich heute 
immer noch gut gebrauchen kann. Transistorschaltungen beispielsweise. 
Schmitt-Trigger mal nur mit Transistoren. Den wählt man heute natürlich 
nicht mehr.

Dual-Power schrieb:

> Habe jetzt mal geschaut, der TL081 müsste doch auch gehen oder?

Das ist auch kein Rail-to-Rail-Typ, genau wie der TL061, den ich weiter 
oben mit dem AMV beschrieb. Der TL061 ist nur eine Low-Power-Version des 
TL081.

Aber du hast doch LTspice. Die OPs verhalten sich da auch wie reale 
Typen, da kann man doch mal ein wenig simulieren, bevor man kauft.

Schau doch mal bei Linear.com (von denen auch der Simulator ist), oder 
Analog Devices. Die haben gute Spezialtypen. Im Simulator befinden sich 
davon auch einige in der Library.

Ansonsten: Einen gängigen Komparator wählen: Z.B. LM339, LM393, LM311.

von mhh (Gast)


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Dual-Power schrieb:
> Habe jetzt mal geschaut, der TL081 müsste doch auch gehen oder?

Er ist schon Bewohner in Deinen Räumlichkeiten? Dann probiere es doch 
einfach. Geschichten werden erzählt - Elektronik erlebt man.  :)

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Zum Unterschied zwischen LM358 und LM393:

Ein Opamp wie der LM358 wird normalerweise als lineare Verstärker ge-
nutzt. Dabei wird das Ausgangssignal zum Eingang gegengekoppelt, um
einen bestimmten Verstärkungsfaktor einzustellen und gleichzeitig die
Linearität zur erhöhen. Der Ausgang des Opamps erreicht bei ordnungs-
gemäßem Betrieb nie seinen unteren und oberen Grenzwert, sondern bewegt
sich immer mit etwas Abstand dazwischen. Um unerwünschtes Schwingen
durch die Rückkopplung zu unterbinden, werden Opamps intern frequenz-
kompensiert, was sowohl ihre Bandbreite als auch die (weiter unten
erläuterte) Slew-Rate herabsetzt.

Ein Komparator wir der LM393 wird normalerweise zum Vergleich zweier
Eingangssignale genutzt, wobei der Ausgang ein Digitalsignal (low =
minimale und high = maximale Ausgangsspannung) liefert. Es können zwar
auch Zwischenwerte auftreten, jedoch stellen diese – anders als beim
Opamp – hier eher einen unerwünschten Dreckeffekt dar.

Ein Opamp eignet sich nur eingeschränkt für den Einsatz als Komparator,
da er durch die Frequenzkompensation deutlich langsamer schaltet als ein
ansonsten ähnlich aufgebauter echter Komparator.

Umgekehrt eignet sich ein Komparator kaum als linearer Verstärker, weil
eine rückgekoppelte Schaltung auf Grund der fehlenden Frequenzkompensa-
tion zum Schwingen neigen würde.

Ein Schmitt-Trigger ist ein Komparator mit zusätzlicher Hysterese, die
üblicherweise durch eine leichte Mitkopplung des Ausgangssignals zum
Eingang erreicht wird. Deswegen ist hier ein echter Komparator (LM393)
einem Opamp (LM358) vorzuziehen.

Damit du siehst, wie schlecht der LM358 in deinem Schmitt-Trigger im
Vergleich zum LM393 abschneidet, habe ich die Schaltung mal mit beiden
Bausteinen für unterschiedliche Frequenzen des Eingangssignals simu-
liert. Anmerkung: Im Schaltplan heißt der LM358 LM324 (=2×LM358) und der
LM393 LM339 (=2×LM393). Die jeweiligen ICs haben aber ansonsten die
gleichen Daten. Da der LM393 einen Ausgang mit offenem Kollektor hat,
braucht man noch den Pullup-Widerstand R7, damit ein High-Ausgangspegel
auch wirklich "high" wird.

Bei 1kHz siehst du schon einen wichtigen Punkt: Der High-Ausgangspegel
des LM358 beträgt nur etwa 12,5V, während der LM393 mit dem Pullup-
Widerstand fast die Versorgungsspannung von 13,5V erreicht. Da beim
LM358 die Differenz zwischen dem maximalen Ausgangspegel und der Versor-
gungsspannung größeren Exemplarstreuungen unterworfen und zusätzlich
temperaturabhängig ist, kann man die genauen Schaltschwellen weniger
genau vorhersagen als beim LM393, was ein weiterer Nachteil des LM358
ist. Bei Rail-to-Rail-Opamps reichen die Ausgangspegel bis an die Ver-
sorgungsspannungsgrenzen heran, weswegen sie zumindest diesen Nachteil
nicht aufweisen

Außerdem erkennst du, dass die Flanken des Ausgangssignals beim LM393
steiler sind, was fast immer ein Vorteil ist. Das siehst du noch
deutlicher im nächsten Bild, wo die Eingangssignalfrequenz auf 10kHz
erhöht wurde. Während beim LM393 der Ausgangspegel fast augenblicklich
von low auf high springt, steigt beim LM358 die Spannung mit etwa
0,5V/µs nur relativ langsam an. Diese Anstiegsgeschwindigkeit nennt man
"Slew-rate". Sie ist im Datenblatt LM358 mit 0,4V/µs angegeben, kann
aber von Exemplar zu Exemplar etwas variieren.

Die Anstiegszeit des Ausgangssignals von 0V auf 12,5V beträgt beim LM358
etwa 26µs. Damit macht es überhaupt keinen Sinn, mit der Schaltung
Eingangsfrequenzen von mehr als 1/(2·26µs)=19kHz zu verarbeiten, da bei
höheren Frequenzen der nominelle Low- und Highpegel gar nicht erreicht
würde.

Das nächste Bild zeigt, was bei einem 100kHz-Signal passiert: Wie gerade
schon vorhergesagt, erreicht die Ausgangsspannung nicht einmal ansatz-
weise die 0V- und 12,5V-Grenzen, sondern zappelt nur irgendwo zwischen
4V und 6,5V hin und her, während das Ausgangssignal des LM393 auch bei
dieser hohen Frequenz noch Flanken wie im Bilderbuch hat. Allerdings
erkennt man auch beim LM393, dass das Ausgangssignal gegenüber dem
erwarteten Signal leicht (um etwa 0,5µs) verzögert ist. Diese Verzöge-
rungszeit nennt man "Response-Time" oder "Propagation-Delay" und ist im
Datenblatt jedes Komparators zu finden.

Erhöht man die Frequenz weiter auf 1MHz, liefert der LM358 am Ausgang
praktisch nur noch eine Gleichspannung, denn die Slew-Rate erlaubt pro
Halbperiode (0,5µs) gerade noch eine Spannungsänderung von 250mV. Der
LM393 zeigt diesbezüglich noch keine Probleme. Allerdings tritt bei ihm
jetzt die Response-Time deutlicher in Erscheinung, obwohl sie sich im
Vergleich zum 100kHz-Testlauf auf etwa 0,15µs reduziert hat. Diese Re-
duktion ist auf die größere Anstiegsgeschwindigkeit des Eingangssignals
zurückzuführen. Da die Response-Time vom Verlauf des Eingangssignals
abhängt, sind in den Datenblättern meist mehrere Werte angegeben und
zwar für Rechteckeingangssignale mit unterschiedlichem "Overdrive". Der
Overdrive ist die Differenzspannung zwischen den beiden Komparatorein-
gängen nach dem Sprung des Eingangssignals. Je größer diese Differenz
ist, desto schneller schaltet der Komparator. Im Datenblatt des LM393
liegen die Werte der Response-Time zwischen 0,25µs und 1,3µs.

Du siehst also, dass bei 1MHz also auch der LM393 so langsam an seine
Grenzen stößt.

In diesem letzten Diagramm erkennt man auch, dass auch beim LM393 die
Flanken nicht unendlich steil sind. Trotzdem ist die Anstiegszeit immer
noch deutlich kürzer als die Response-Time. Würde man den Ausgang jedoch
kapazitiv belasten, sähen insbesondere die positven Flanken deutlich
schlechter aus. Der Grund liegt in dem durch den Pullup-Widerstand gege-
bene hohe Ausgangswiderstand der Schaltung für High-Signale. Steilere
Flanken erhält man durch eine Verringerung des Pullup-Widerstands. Die-
ser kann aber nicht beliebig klein gemacht werden, da sonst der Ausgang
des LM393 zu stark belastet wird und damit kein sauberer Low-Pegel mehr
geliefert wird.

von Henrik Haftmann (Gast)


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Für noch höhere Frequenzen gibt es sogenannte Differenzielle 
Leitungsempfänger. Diese allerdings nur für maximal 5 V, da bei hohen 
Frequenzen eher mit kleinen Spannungshüben gearbeitet wird. 
Beispielsweise USB Full-Speed: 12 MBit/s entsprechend 6 MHz obere 
Grenzfrequenz bei 3 V. Eingebaut in MAX485 bzw. SN75159 (gemeinsam mit 
einem Sender) sowie solo vierfach in AM26C32 bzw. im DDR-Typ DL2632. 
Auch die in Mikrocontrollern eingebauten Komparatoren 
(Analogvergleicher) sind recht schnell.

von M. Th. (Gast)


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Nimm mal für R2 = 47K dann wird es funktionieren.
125khz sollten kein Problem sein.

von Falk B. (falk)


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M. Th. schrieb:
> Nimm mal für R2 = 47K dann wird es funktionieren.
> 125khz sollten kein Problem sein.

Schon mal auf das Datum der Beiträge geschaut?

von M. Th. (Gast)


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Ich bitte um Entschuldigung für meine übereilte Antwort.
Es soll nicht wieder vorkommen.

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