Stabilität eines nicht Frequenzkompensierten OPVs.

Die Schwingung kann bereits auftreten wenn der Verstärker mit 
Rückkopplung beschaltet wird. Was für ein Eingangssignal man anlegt ist 
dabei relativ egal - außer es ist so viel das der Verstärker vom Signal 
gesättigt ist.

Wenn die Phasenverschiebung noch nicht ganz so groß ist, dass der 
Verstärker von sich aus schwingt, kommt es z.B. bei einem Rechtecksignal 
zu einem Nachschwingen nach den Flanken.

>Kann das schon passierenz, wenn ich ein Gleichstromsignal anlege am
>eingang, oder erst, wenn ich mit meinem Eingangssignal in die nähe der
>100khz bringe?

Es genügt das Eigenrauschen der Schaltung um den Opamp zum Schwingen zu 
bringen. Auch mit dem Einschalten der Versorgungsspannung kann das 
Schwingen einsetzen.

Jan R. schrieb:

> Jeder Verstärker hat ja eien Frequenzgang. Wenn ich einen nicht
> Frequenzkompensierten OPV habe, der bei zb. 100Khz Eine Verstärkung von
> 1 bei einer Phasenverschiebung von 360 Grad hat, würde er hier ja
> schwingen. Doch wann tritt diese Schwingung ein? Kann das schon
> passierenz, wenn ich ein Gleichstromsignal anlege am eingang, oder erst,
> wenn ich mit meinem Eingangssignal in die nähe der 100khz bringe?

<seufz>

Das hast du also auch nicht verstanden.

Für die Schwingung braucht es gar kein Signal von außen. Das erledigt 
das allgegenwärtige Rauschen.

Entscheidend ist die Gegenkopplung. Genauer gesagt die Schleifen- 
verstärkung. Das ist der Teil der Leerlaufverstärkung, der durch die 
Gegenkopplung "totgelegt" wird. Bei einer gewissen Frequenz wird 
innerhalb des OPV eine Phasenverschiebung von 180° erreicht. Zusammen 
mit den definitionsgemäß 180° der Gegenkopplung ergibt das dann 360° 
Phasenverschiebung für die komplette Schleife. Und wenn dann die 
Schleifenverstärkung größer 1 ist, dann schwingt die Schaltung.

Man kompensiert den OPV dadurch, daß man die Leerlaufverstärkung so 
steil abfallen läßt, daß beim Punkt wo die Schleifenverstärkung unter 1 
fällt, die Phasendrehung noch genügend Abstand zu 180° hat. Den Abstand 
nennt man Phasenreserve.

Es gibt auch Schwingungen, die durch Aussteuerung verursacht werden.
Das beruht auf Nichtlinearitäten (wenn bspw. die Verstärkung bei großen 
Amplituden höher ist als bei kleinen). Wenn dann die Phasenreserve klein 
ist, dann kann eine große Aussteuerung des System kurzzeitig "über den 
Rand" schubsen. Im allgemeinen ist man mit 45° Phasenreserve auf der 
sicheren Seite.


XL

Wenn man extern eine Verstärkung haben will, teilt man das 
Ausgangssignal vor der Rückkopplung. Entsprechend reduziert sich die 
Schleifenverstärkung um die externe Verstärkung (gilt für die nicht 
invertierende Verstärkungsschaltung, invertierend kommt da noch 1 dazu).
Das ist auf den ersten Blick etwas verwirrend, aber an sich einfach, 
wenn man es einmal verstanden hat.


Es gab/gibt nicht (bzw. genauer nicht für kleine Verstärkung) 
kompensierte OPs - da muss bzw. kann man die Kondensatoren zur 
Kompensation extern hinzufügen. Ein altes Beispiel ist etwa der LM709.

Jan R. schrieb:
> Doch das habe ich zu deiner Enttäuschung schon verstanden

Ernsthaft: das glaube ich nicht. Denn dann würdest du nicht die Fragen 
stellen, die du stellst. Z.B.

Jan R. schrieb:
> Warum fällt diese Schleifenverstärkung gerade bei höherer außen
> eingestellter Verstärkung schneller unter 1 ist das nicht ein Paradoxon?

Das habe ich doch extra oben erklärt. Der "überschüssige" Teil der 
Leerlaufverstärkung, der durch die Gegenkopplung "totgelegt" wird, den 
nennt man Schleifenverstärkung. Wenn man extern eine größere Verstärkung 
einstellt, dann ist die Schleifenverstärkung von vornherein kleiner. Sie 
fällt dann nicht "schneller" auf 1, aber sie erreicht den Wert 1 bei 
einer kleineren Frequenz und folglich kleinerer Phasendrehung.


XL

>Warum kann ich solch eine Schwingung an einem Operationsverstärker >natürlich 
Grequenzkompensiert nie Feststellen?

Glück oder Pech, sieh es wie du willst.

Glaube mir, auf diesem Gebiet erfahrene Entwickler könnten ganze Bücher 
mit Geschichten über solche in der Realität wirklich stattfindenden 
Instabilitäten und Schwingungen füllen.

Jan R. schrieb:
> einem LM358 als

Der LM358 ist doch bereits intern frequenzkompensiert bis Av=1 
hinunter...

Jan R. schrieb:
> Hmm, gibt es irgeneine Orientierung, wieviel unter 0db, die Verstärkung
> bei Phasenverschiebung von Pi sein muss, dass die gedämpfte praktisch
> bernachlässigbar wird.

Meine Güte, lies doch einfach mal, was man dir schreibt. Und beende 
Fragesätze gefälligst mit einem Fragezeichen! So langsam beschleicht 
mich das Gefühl, daß du genauso schlampig denkst wie du schreibst. Und 
dann ist es kein Wunder, daß du immer so dämliche Fragen stellst.


(ohne Gruß)

>Hmm, gibt es irgeneine Orientierung, wieviel unter 0db, die Verstärkung
>bei Phasenverschiebung von Pi sein muss, dass die gedämpfte praktisch
>bernachlässigbar wird.

Mir kommt deine ganze Fragerei komisch vor. Es ist, als ob du wissen 
willst, wieviele Radmuttern man weglassen kann bis das Autofahren 
unsicher wird.

Alles mit was mit der Stabilität eines OPamps, also mit der "phase 
margin", etc. zu tun hat, sind relative grobe "worst case" 
Abschätzungen. Eine genau Berechnung ist sowieso sinnlos, weil die 
SPice-Modelle selbst nicht 100%-ig stimmen, die OPamps gewaltige 
Produnktionstoleranzen haben und sich oft viele Dinge der Kontrolle des 
Entwicklers entziehen, beispielsweise wie konkret angeschlossene Lasten, 
etc.

Es ist nicht Plan der Entwicklung eine ganz bestimmte Instabilität zu 
erreichen, sondern von ihr, so weit es geht, fernzubleiben.

>Denn bei -1db, dürfte die Sprungantwort ja noch mit einer Gedämpften 
>Harmonischen überlagert sein.

Die Sprungantwort IST die "gedämpfte Harmonische"! Auf dieser 
Harmonischen würde die Schaltung schwingen, wenn sie noch ein wenig 
instabiler wäre...

>Wie kann man diese Harmonische möglichst stark unterdrücken (Außer
>größere Äußerliche verstärkung) ?

In dem man das Aufzehren der "phase margin", also die Entstehung einer 
unerwünschten "phase lag" in der Gegenkopplung durch eine "phase lead" 
Kompensation rückgängig macht. Gurgel selbst mal nach diesen Begriffen. 
Du wirst erstaunt sein, wieviel Literatur z.B. von TI man dazu findet.

In meinen Schaltungen lasse ich in der Simulation im 
Niederfrequenzbereich eine "böse" Phase von bis maximal 60° zu. Mit 
böser Phase ist hier 60° "phase lag" in der Gegenkopplung gemeint. Im 
Bereich der "unity gain" erlaube ich maximal 10...15° "böse" Phase.

>Ok, meinst du so ähnlich wie oben in dem mitgeschickten Foto, sodass die
>Schleifenverstärkung mit steigender Frequenz sinkt?

Bei der "phase lead" Kompensation interessiert mich nur die Phase.

Im Anhang ist ein Beispiel für eine Phasenganganalyse gezeigt. Es soll 
sich um einen Opamp mit einer Grenzfrequenz von 5MHz handeln, der eine 
"open loop output impedance" von 100R hat. Es ist ein Verstärker mit dem 
Faktor 2 gezeigt. Am invertierenden Eingang sitzt eine Streukapazität 
von 20pF und am Ausgang ist eine kapazitive Last angehängt, die über 
einen 100R vom Ausgang isoliert ist.

Jetzt wird geschaut, wie sich die Spannung am invertierenden Eingang des 
OPamps bezüglich der Spannung am idealen Ausgang, also noch vor der 
"open loop output impedance", in der Phase verhält. Die "böse" Phase, 
also die destabilisierende "phase lag" bedeutet hier eine negative 
Phase.

Gezeigt ist der Phasengang mit und ohne "phase lead" Kompensation (22pF 
Cap). Ohne Kompensation wird im Bereich der Grenzfrequenz eine sehr hohe 
"phase lag" erzeugt. Der OPamp ist sehr instabil. Mit Kompensation wird 
die "phase lag" auf unkritische Werte verringert. Der Opamp ist stabil.

In diesem Beispiel ist eine nur sehr kleine, zusätzliche Kapazität von 
22pF ausreichend, um einen OPamp von einem instabilen Betriebszustand in 
einen stabilen zu verwandeln.

Kai Klaas schrieb:
> In diesem Beispiel ist eine nur sehr kleine, zusätzliche Kapazität von
> 22pF ausreichend, um einen OPamp von einem instabilen Betriebszustand in
> einen stabilen zu verwandeln.

Wobei man das in diesem Fall besser als unkompensierten vs. frequenz- 
kompensierten Spannungsteiler betrachtet. Letztlich geht es bei dieser 
Schaltung ja nur darum, den Einfluß der Streukapazität zu eliminieren. 
Interessanter und deutlich wirklichkeitsnäher wird es, wenn man die 
innerhalb des OPV entstehende Phasenverschiebung betrachtet.


XL

>Interessanter und deutlich wirklichkeitsnäher wird es, wenn man die
>innerhalb des OPV entstehende Phasenverschiebung betrachtet.

Oh, das ist sehr wirklichkeitsnah was ich hier mache. Nur muß man eben 
noch den internen Phasengang des Opamp, den man in jedem Datenbatt 
findet, zum Phasengang der Gegenkopplung hinzuaddieren. Das ist so 
offensichtlich, daß ich es nicht extra erwähnt habe.

Natürlich gibt es auch die Möglichkeit, beide Phasengänge zusammen zu 
berechnen, wenn man das jeweilige Spice-Modell des OPamps verwendet. 
Leider sind einige Spice-Modelle in dieser Hinsicht unzureichend und 
zeigen falsche Ergebnisse. Ich habe das mal hier diskutiert:

Beitrag "Re: Erreichbare Auflösung mit Photodioden"

Seit diesem Erlebnis führe ich die Phasengangsanalyse so wie oben 
gezeigt durch und addiere dann den internen Phasengang aus dem 
Datenblatt. Interessant ist in der Regel sowieso nur der Bereich in der 
Gegend der Grenzfrequenz des OPamp, weil erst dort die interne Phase von 
den konstanten -90° abweicht und dann mehr oder weniger abschmiert.

Jan R. schrieb:
> Du hast nur einen Spannungsteiler gebaut, welchen du in der Phase
> Kompensierst. Aber KEINEN VERSTÄRKER wie Axel Schwenke schon gesagt
> hast.

Ich habe nichts dergleichen gesagt. Kai hat die Simulation auf das 
notwendigste abgespeckt. War ja klar, daß du das nicht raffen würdest.

Meine Kritik ging dahin, daß Kai dabei auch den eigentlich interessanten 
Teil weggelassen hat. Klar kann man die OPV-interne Phasendrehung 
nachher im Kopf draufschlagen. Aber wozu simulieren wir denn dann und 
lassen uns Phasenplots ausgeben?

Und Kai: ein OPV hat nur in ausgesprochen seltenen Fällen einen einzigen 
Pol. Eigentlich immer nur dann, wenn er von Hersteller für den Betrieb 
als Spannungsfolger kompensiert wurde.


XL

>Faktor 2 ist Blödsinn. Du hast ein Rückkopplung mit 210 un 310 Kiloohm
>wie soll da 2 Herauskommen? :-(

Für die Phasenganganalyse reduziert man den OPamp auf das Wesentliche. 
Das ist der ideale Ausgang (VG1) vor der "open loop output impedance", 
die "open loop output impedance" (R1) und der invertierenden Eingang 
(VM1). Die Verstärkungsfunktion des OPamp ist hier unerheblich, weil wir 
uns nur für die Phase interessieren. Die verstärkungsbestimmenden 
Widerstände sind R3=10k und R2=10k, was einem Verstärker mit der 
Verstärkung 2 entspricht.

Zusätzlich ist eine Streukapazität (C1) am invertierenden Eingang 
berücksichtigt und eine kapazitive Last (C2), die durch den Widerstand 
R4 vom Ausgang des OPamp "isoliert" ist. Zwischen VM1 und VG1 gibt es 
noch einen zusätzlichen Phasengang, der im Datenblatt des OPamp 
nachgeschlagen werden kann.

Natürlich ist eine solche Schaltung viel zu primitiv, als daß man sich 
die Mühe einer Phasenganganalyse machen müßte. Aber ich habe absichtlich 
eine einfache Schaltung angenommen, damit du nicht allzu verwirrt bist.

>Wo ist der Verstärker?

Habe ich gerade erklärt.

>VG1 ist dein Messgerät.

Nein, der ideale Ausgang des OPamp.

>Wie bekommt das Die Relation zum Eingang?

?? Was genau willst du wissen?

>Kenne dieses Alte Simulationsprogramm nicht, welches du da hast.

Ist TINA-TI und ist nicht alt.

>Warum redest du dann von deinem tollen idealen Ausgang?

Wann kann ich dafür, wenn du zu doof bist, daß zu erkennen?

>(Ich will von niemandem wissen, wie diese Kompensation geht. Das weiß
>ich.

Du hast vielleicht eine entfernte Vortsellung davon. Aber du hast zu 
wenig Wissen, um es quantifizieren zu können, sonst würdest du diese 
ganzen Fragen nicht stellen.

>Ich frage mich jetzt, was denn passiert wenn die verstärkung bei Pi z.b.
>0,5 Beträgt, gibt es dann jetzt aufrund von Rauschen ständig
>Schwingungen die gedämpft sind, bzw. jede verstärkte Rechteckspannumg
>hat an den Flanken harmonische kleben, oder ist das ganz dann soweit
>gedämpft, dass man das verrnachlässigen kann?

Das läßt sich nicht pauschal sagen, sondern hängt vom jeweiligen OPamp 
ab. Auch ein völlig stabiler OPamp kann ausgeprägtes Überwschwingen bei 
Rechteckansteuerung haben. Das Ganze kann auch noch klein- und 
großsignalabhängig sein. Das sind letztlich Feinheiten, die ein 
einfaches Model garnicht berücksichtigt. Wenn du es ganz genau haben 
willst, mußt du es berechnen oder mit einem guten Modell simulieren.

>Und Kai: ein OPV hat nur in ausgesprochen seltenen Fällen einen einzigen
>Pol. Eigentlich immer nur dann, wenn er von Hersteller für den Betrieb
>als Spannungsfolger kompensiert wurde.

"Unity gain stable"? Aber das sind doch die meisten OPamps. Außerdem ist 
es egal wieviele Pole es da hat, wenn nur der Phasengang im Datenblatt 
angegeben ist: Ich mache eine "phase lead" Kompensation, sodaß möglichst 
viel von der "phase margin" erhalten bleibt und habe automatisch einen 
besonders stabilen Betrieb. Wenn es zusätzliche Pole mit Einbrüchen 
gibt, kann ich das in der Kompensation berücksichten und lasse im 
entsprechenden Frequenzbereich entsprechend weniger nacheilende 
Phasenverschiebung zu.

>Um nochmal auf deine Vereinfachte Schaltung einzugehen. Wolltest du mit
>der Kapazitäten Last auf die Innerlichen Parasitären im OPV heraus oder
>Zeigen was Passiert wenn eine Kapazitive last angeschlossen wird.

Also, die Streukapazität am invertierenden Eingang ist hauptsächlich 
intern. Besonders rauscharme FET-OPamps können da beachtliche 
Kapazitäten haben, wenn ich jetzt beispielsweise an den AD743 denke. 
Aber auch der TL052 u.ä. haben da etliche pF.

Die angenommene kapazitive Last am Ausgang speist sich dagegen 
hauptsächlich aus Kabelkapazitäten. Für längere Kabel müssen dann 
natürlich größere kapazitive Lasten angenommen werden. R4 zur 
"Isolierung" der kapazitiven Last ist mit 100R auch recht realistisch 
angenommen. Das ist schon eine sehr realistische Schaltung, die ich da 
simuliert habe.

Man erkennt, daß bereits ein kleiner 22pF Cap ausreicht, um die 
Schaltung von "No-Go" in "Go" zu verwandeln. In Mischpulten findet man 
deshalb so einen Cap praktisch in jeder Verstärkerstufe (siehe Anhang).

>Aber von wasfür Kabeln gehst du da aus mit denn 100 Isolierung?

Kabel mit 100pF pro Meter. Das läßt sich ja in der Simu jederzeit 
anpassen.

>Schon klar, halte aber die 100Ohm für Übertrieben.

Der in die Schaltung eingefügte R4=100R, der nicht Teil des Kabels ist, 
falls du das meinst, macht immer Sinn, wenn ein Kabel angeschlossen 
wird. Der Vorteil spielt sich allerdings erst längeren Kabeln aus. So 
läßt sich der OPamp für eine kapazitive Last mit 1nF, entsprechend 10m 
Kabellänge, mit verschwindendem R4 praktisch nicht mehr 
phasenkompensieren.

Im linken Bild ist zu sehen, daß bei 1nF kapazitiver Last nun mit 33pF 
in der Gegenkopplung eine minimale "phase lag" entsteht.

Im rechten Bild, mit verschwindendem R4, ist das Verhalten für zehn 
verschiedene Gegenkopplungskapazitäten gezeigt, die zwischen 10pF und 
100nF variieren. Die starke Zunahme der "phase lag" in der Gegenkopplung 
im Bereich der Grenzfrequenz läßt sich nicht mehr rückgängig machen.

R4 ist wichtig, weil er die kapazitive Last vom Ausgang des OPamp 
"isoliert". Isoliert in dem Sinne, daß die kapazitive Last nun nur noch 
eine beherrschbare "phase lag" innerhalb der Gegenkopplung erzeugen 
kann.

Es gab auch einen umkompensierten 741 als 748. Und ja, solche Bauteile 
sind sinnvoll weil man damit bei höheren Verstärkungen weit mehr 
Bandbreite rausbekommt (IIRC geht zB mit einem 709 bei einer Verstärkung 
von 100 mehr als mit einem 741). Oder der LH0032 - bei dem es auch Sinn 
macht einen Trimmer an die Kompensationsanschlüsse anzuschliessen da die 
genaue Einstellung viel Unterschied zB in der Rechteckantwort macht...