Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Unerklärliches Verhalten des OPV LM7301


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von Der Lernende (Gast)


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Hallo zusammen,

ich kann mir auf folgendes Problem keinen Reim machen:

Es ist ein OPV LM7301 von National als Komparator im Einsatz 
(Power-Down-Detection). Versorgung asymmtrisch mit 3.3V/GND. Der 
N-Eingang wird von einem DAC gefüttert (DAC128S085, 0-3V) und mit 1k und 
100nF jeweils gegen Masse beruhigt. Der P-Eingang hat einen 100k 
Pulldown und wird normalerweise mit VCC (1.8-3.3V) eines Fremdgerätes 
beschaltet. Hier zum Testen wird entweder 3.3V angelegt oder der Pin 
offen gelassen (tristate).
Es wurden neue Bauteile verwerdet.

Folgender Effekt: Beim offenen P-Eingang ist eine Spannung zu messen, 
welche der Spannung am N-Eingang folgt, jedoch niedriger ist:
N=3V, P=>2.0V
N=1.8V, P=>1.5V
N=1V, P=0.8V
Gemessen wurde mit Multimeter PeakTech8030. Vermutung bis dahin, war: 
offener Eingang (hochomig) nicht gut -> Radio Moskau wird empfangen.
Aber: der P-Pin kann belastet werden (Kurzschluß) und dann fließen gegen 
Masse 0.6mA! Bei einer Belastung mit 10K bricht die Spannung zusammen 
1.8V->1.3V. Es wird hiermit deutlich, das nicht irgendetwas eingefangen 
wird, sondern richtig getrieben wird.
Messungen mit einem Oszi haben gezeigt, dass alles statische Pegel sind, 
kein Schwingen.

In den verschiedenen Googlebaren Datenblättern (National,TI) finde ich 
keine Innenbeschaltung des OPVs. Laut dieser Datenblätter sollte der 
Baustein hochohmig sein (MOhm).
http://www.farnell.com/datasheets/1326215.pdf
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm7301.pdf
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/LM7301-D.PDF

Ich hoffe, ich habe alle relevanten Punkte beschrieben. Ansonsten bitte 
nachfragen.

Kennt jemand dieses Verhalten bzw. hat eine Erklärung dafür?

Ich bin für jeden Tip dankbar.
Mit freundlichen Grüßen,

von ich noch immer (Gast)


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kannst/könntest Du das selber ohne Schema?

von Uwe B. (uwe_beis)


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Ich vermute, dass zwischen P- und N-Eingang zwei anti-parallele Dioden 
als Schutz liegen. Das könntest du mit weiteren Messungen leicht 
nachweisen  heraus finden.

Allerdings sagt das Datenblatt, dass zwischen P- und N-Eingang 15 V 
zulässig sind, das spricht gegen die Theorie. Aber irgendwelche 
Querströme scheint es doch zu geben?!?

Grundsätzlich sind Op-Amps als Komparatoren sowieso nicht vorgesehen. 
Hier wäre dann z. B. ein Differenz von einigen 100mV am Eingang nicht 
möglich.

von Der Lernende (Gast)


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Ok, hier die Test-Schaltung:


    3.3V ----------|
                   |
                   |
                 |---\
                 |    \
     TRI/3.3V ---|P    \
                 | OPV  >-----
      DAC>-------|N    /
           |  |  |    /
           |  |  |___/
           |  |    |
           R  C    |
           |  |    |
     GND -----------

Wie geschrieben, im regulären Betrieb liegt an P noch ein 
100K-Widerstand gegen GND.

Gruß,

von Der Lernende (Gast)


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Uwe Beis schrieb:
> Grundsätzlich sind Op-Amps als Komparatoren sowieso nicht vorgesehen.
> Hier wäre dann z. B. ein Differenz von einigen 100mV am Eingang nicht
> möglich.


Da es um eine Power-Down-Detection geht (MC-Schaltungen), halte ich 
diesen Fall für nicht relevant. Das Target ist entweder eingeschaltet 
(Rampe hoch, danach VCC) oder abgeschaltet (Rampe runter, danach 
Pulldown).

Gruß,

von Uwe B. (uwe_beis)


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Der Lernende schrieb:
> Aber: der P-Pin kann belastet werden (Kurzschluß) und dann fließen gegen
> Masse 0.6mA! Bei einer Belastung mit 10K bricht die Spannung zusammen
> 1.8V->1.3V. Es wird hiermit deutlich, das nicht irgendetwas eingefangen
> wird, sondern richtig getrieben wird.

Kannst du herausfinden, von wo der Strom kommt? Er muss ja in 
irgendeinen Pin, der ein höheres Potential als P hat, hinein fließen, 
wenn er aus P heraus kommt. Oder ist es ein externer Leckstrom, z. B. 
ein Feinschluss in der Leiterplatte? (Das habe ich in einigen 
Jahrzehnten auch nur ein einziges Mal erlebt). Irgendeine 
angeschlossene, aber übersehene Komponente? Oder ist der Op-Amp defekt?

Das ist alles sehr unwahrscheinlich, aber das beobachtete Verhalten ist 
unter normalen Umständen ganz offensichtlich auch völlig auszuschließen. 
Irgend etwas völlig Unwahrscheinliches muss es sein.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Im Datenblatt steht allerdings nicht, das dieser OpAmp vor Phase 
Reversal gefeit ist. Meine Erfahrung sagt, das wenn es nicht drin steht, 
könnte er es machen. Andere Vermutung - die Eingänge sind bereits 
zerschossen.

von Der Lernende (Gast)


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Hallo,

um einen Defekt auszuschließen, habe ich nochmal von Null angefangen. 
Also ich habe einen neuen Baustein mit folgender Beschaltung auf einer 
separaten Platine aufgebaut:

    3.3V ----------|
                   |
                   |
                 |---\
                 |    \
           ------|P    \
           |     | OPV  >-----
           |  ---|N    /
           |  |  |    /
           |  |  |___/
           |  |    |
           R  R    |
           |  |    |
     GND -----------

Mit R=100k habe ich an beiden Eingängen 1.4V gemessen, d.h. da fliest 
Strom (14uA).

Ich habe versucht, mich im Seifart (Fachbuch Analoge Schaltungen) etwas 
schlau zu machen. Direkt habe ich keine Erklärung gefunden, aber 
indirekt. Beim invertierenden Verstärker wird ein R an den P-Eingang 
gegen GND geschaltet, anstelle ihn direkt mit GND zu verbinden. Wozu? 
Etwas Recherche im Web brachte da die Begründung: Es fließen 
Eingangsströme und diese verfälschen die Differenzeingangsspannung. Der 
Widerstand gegen GND schafft eine Korrektur dieses Offsets. Seine Größe 
berechnet sich aus den Widerstandswerten am N-Eingang. Letztendlich gilt 
die hohe Eingangsimpedanz des OPV nur bei Vdiff=0. Wie Uwe oben schon 
geschrieben hat, sind OPVs als reine Komparatoren (ohne Gegenkopplung) 
wohl nicht die beste Lösung.

Gruß,
Dirk

von Uwe B. (uwe_beis)


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Hallo Dirk,

das ist aber trotzdem gar nicht in Ordnung. 14 uA sind viel zu viel. Lt. 
Datenblatt LM7301 sind typisch 90 nA bei UIn = 0V zu erwarten (und -40 
nA bei UIn = 5 V, das liegt an der R2R-Eingangsstufe, so dass bei Mitte 
Betriebsspannung also 50 nA zu erwarten wären).

Deine Untersuchung ist noch nicht beendet :-(.

Mach mal superscharfe Fotos von deinem Aufbau, auf denen jede kleinste 
Struktur zu erkennen ist.

Grüße, Uwe

von Der Lernende (Gast)


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Hi Uwe,

da ich den zweiten Testaufbau separat gemacht habe 
(Universalleiterplatte mit freier Verdrahtung), denke ich nicht, dass es 
an irgendwelchen Leiterbahnen hängt. Das Verhalten zwischen beiden 
Aufbauten ist gleich.
Eine Beschädigung beim Aufbau schließe ich auch aus, bleibt höchstens 
eine Beschädigung durch Betrieb.
Ich denke das hier bringt Licht ins Dunkel:

http://www.elektronikpraxis.vogel.de/hardwareentwicklung/articles/31307/

Die 0.7V habe ich auch gemessen (N=3.1V und P=2.4V) und dass das P- dem 
N-Eingangssignal folgt. So wie es aussieht, scheint es auf die 
Anti-parallelen Dioden mit Reihenwiderstand (Strombegrenzung) 
hinauszugehen. Was zumindest laut Artikel erlauben würde, den OPV als 
Komparator zu nutzen.

Was aber dann noch offen ist: Wieso liegen bei 100K an den Eingängen 
jeweils 1.4V? Das riecht nach 2*0.7V.

Gruß,

von Kai K. (klaas)


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>Ich vermute, dass zwischen P- und N-Eingang zwei anti-parallele Dioden
>als Schutz liegen. Das könntest du mit weiteren Messungen leicht
>nachweisen  heraus finden.

Da wird es höchstwahrscheinlich eine Schutzschaltung geben. Nicht 
unbedingt zwei antiparallele Dioden, weil dann wären nur +/-300mV 
erlaubt. Oft sieht man da noch zusätzliche Schutzwiderstände in Serie zu 
den Dioden. Manchmal gibt es auch einen geheimen Pfad zur 
darauffolgenden Treiberstufe über den dann Strom fließen kann, sobald 
eine relevante Differenzspannung zwischen den Eingängen ansteht.

>In den verschiedenen Googlebaren Datenblättern (National,TI) finde ich
>keine Innenbeschaltung des OPVs.

Und genau das war dein Fehler! OPamps ohne angegebene Innenschaltung 
sind immer suspekt und sollten nur für reine Verstärkungsanwendungen 
eingesetzt werden, möglichst ohne Übersteuerungsgefahr. In den "absolute 
maximum ratings" ist übrigens für den aufmerksamen Leser angedeutet, daß 
der Opamp nicht koscher ist...

: Bearbeitet durch User
von Phasi (Gast)


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Hallo Dirk!
Das ist ein spannendes Problem.
> Etwas Recherche im Web brachte da die Begründung: Es fließen
> Eingangsströme und diese verfälschen die Differenzeingangsspannung. Der
> Widerstand gegen GND schafft eine Korrektur dieses Offsets. Seine Größe
Ja, das gilt allerdings nur für Operationsverstärker ohne interne 
Eingangsstromkompensation (zu Seifarts Zeiten war das vermutlich jeder), 
wie anscheinend auch dem LM7301 (ansonsten wäre der Biasstrom und Offset 
geringer) und erklärt leider noch nicht Deine Beobachtungen.

> berechnet sich aus den Widerstandswerten am N-Eingang. Letztendlich gilt
> die hohe Eingangsimpedanz des OPV nur bei Vdiff=0. Wie Uwe oben schon
> geschrieben hat, sind OPVs als reine Komparatoren (ohne Gegenkopplung)
> wohl nicht die beste Lösung.

14uA sollten laut Datenblatt an den Eingängen nicht fließen können, wenn 
beide Eingänge auf nahezu gleichem Potential und nahezu mittig im 
Versorgungsbereich liegen!
Auch bei Vdiff != 0 sollte, solange Du Dich im Gleichtaktbereich (und 
das wäre hier von -0.1V bis V+ + 0.1V) befindest, der Eingangswiderstand 
sehr hoch bleiben! Allerdings gelten die Graphen/Angaben im Datenblatt 
nur für bestimmte Ausgangslasten. Kann es sein, daß der Opamp mit einer 
minimalen Ausgangslast betrieben werden muß?

Bist Du sicher, daß Du Originalteile verwendest? Hast Du die 
Möglichkeit, mal einen Chip zu öffnen und den Die anzuschauen? Kann es 
sein, daß Deine Teile beim Anbieter/bei der Eingangskontrolle/bei Dir 
auf dem Tisch einen ESD-Schaden erlitten haben? Hat man Dir vielleicht 
fälschlicherweise andere Teile geliefert als auf der Packung steht?

Viel Erfolg bei der Suche
  phasi

von Achim S. (Gast)


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Prüfe nochmal, ob die Versorgung wirklich ankommt. Kannst du zwischen 
Pin 7 und Pin 4 die 3,3V sehen (beides direkt am Pin gemessen, nicht 
irgend auf der Platine)? Kannst du zwischen Pin 4 und dem GND-Anschluss 
der Widerstände 0V sehen?

Wenn Pin 4 nicht sauber angeschlossen sein sollte, fließt die Versorgung 
des OPV über die Schutzdioden und durch die Eingänge.

Falls das nicht weiterhilft: mach mal eine Messreihe mit verschiedenen 
Versorgungen und zeige uns die jeweils zugehörigen Spannungen am 
Eingang. Und betreibe den OPV mal versuchsweise "richtig" (also z.B. als 
Spannungsfolger rückgekoppelt) und erzähle uns, ob er in dieser 
Konfiguration arbeitet wie erwartet.

von Der Lernende (Gast)


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Hallo zusammmen!

>Prüfe nochmal, ob die Versorgung wirklich ankommt. Kannst du zwischen
>Pin 7 und Pin 4 die 3,3V sehen (beides direkt am Pin gemessen, nicht
>irgend auf der Platine)?

Ok, mein Testaufbau hatte einen Fehler, GND war nicht angeschlossen. 
Nach Korrektur ergeben sich mit diesem Aufbau (OPV neu!):

    3.3V ----------|
                   |
                   |
                 |---\
                 |    \
           ------|P    \
           |     | OPV  >-----
           |  ---|N    /
           |  |  |    /
           |  |  |___/
           |  |    |
           R  R    |
           |  |    |
     GND -----------

folgende Werte (am Pin gemessen):
U=3.29V  (4+7)
P=6.4mV  (3)
N=6.4mV  (2)
O=28.8mV (6)
Sieht also besser aus.

>Kannst du zwischen Pin 4 und dem GND-Anschluss
>der Widerstände 0V sehen?

Jetzt ja.

>Wenn Pin 4 nicht sauber angeschlossen sein sollte, fließt die Versorgung
>des OPV über die Schutzdioden und durch die Eingänge.

Das tat er wohl, Schusselfehler. :(

>... und betreibe den OPV mal versuchsweise "richtig" (also z.B. als
> Spannungsfolger rückgekoppelt) und erzähle uns, ob er in dieser
> Konfiguration arbeitet wie erwartet.

Für den Komparatortest habe ich diese Schaltung verwendet:

    3.3V ----------|
              |    |
              |    |
              R  |---\
              |  |    \
           ---+--|P    \
           |  |  | OPV  >-----
           |  O--|N    /
           |  |  |    /
           |  |  |___/
           |  |    |
           R  R    |
           |  |    |
     GND -----------

Was folgende Spannungen (R=100k) ergab:
N= 1.51V (2)
P= 0.26V (3)
O= 0.03V (6)
Interessant hier, dass der N-Eingang von ~1.65V auf 1.5V verbogen wird.


Bei folgender Beschaltung mit Last (R=100k,R2=10k):
    3.3V ----------|
              |    |
              R    |
              |  |---\
              |  |    \
           ---+--|P    \
           |  |  | OPV  >------
           |  O--|N    /      |
           |  |  |    /       R2
           |  |  |___/        |
           |  |    |          |
           |  |    |          |
           |  |    |          |
           R  R    |          |
           |  |    |          |
     GND ----------------------

ergeben sich die gleichen Werte:
N= 1.5V   (2)
P= 0.26V  (3)
O= 0.03V  (6)


Bei der Beschaltung mit Rückkopplung:
    3.3V ----------|
                   |
                   |
                 |---\
                 |    \
           ------|P    \
           |     | OPV  >------
           |  ---|N    /      |
           |  |  |    /       R
           |  |  |___/        |
           |  |    |          |
           |  O----+-----------
           |  |    |
           R  R    |
           |  |    |
     GND -----------

ergeben sich diese Werte:
N= 17mV   (2)
P= 7.6mV  (3)
O= 28.6mV (6)
Das heißt also mit Rückkopplung werden die Eingänge hochohmig. Die Werte 
sind wohl eher Richtilinien, da ich nicht weiß wie genau mein Multimeter 
in diesem Bereich mißt.

Hm, wenn ich also diesen Baustein verwenden will, brauche ich also eine 
Rückkopplung. Wie könnte man das am besten machen?
Ich brauche wie oben beschrieben die Möglichkeit einer programmierbaren 
Schwellspannung (~0.5-2.5V), um eine Spannung von 0-3.3V zu überwachen. 
Getrieben werden muß nur ein 3.3V-LVCMOS-Eingang.

Danke für eure Beiträge,

von Achim S. (Gast)


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Der Lernende schrieb:
> Nach Korrektur ergeben sich mit diesem Aufbau (OPV neu!):
...
>
> folgende Werte (am Pin gemessen):
> U=3.29V  (4+7)
> P=6.4mV  (3)
> N=6.4mV  (2)
> O=28.8mV (6)

Also 64nA Bias Current. Im Datenblatt sind als typischer Wert 90nA 
genannt. Passt also gut.

Der Lernende schrieb:
> Interessant hier, dass der N-Eingang von ~1.65V auf 1.5V verbogen wird.

Also wieder ein Strom im µA-Bereich, diesmal aber wenigstens mit großer 
Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen. Da können die µA 
hinkommen, hierfür gibt es keine Spec im Datenblatt.

Der Lernende schrieb:
> Das heißt also mit Rückkopplung werden die Eingänge hochohmig.

Die Datenblattwerte gelten für den Normalbetrieb (also mit 
Rückkopplung). "Hochohmig" heißt aber nicht, dass kein Strom fließt 
(siehe Bias-Strom), es heißt nur dass der Strom nicht (oder fast nicht) 
von der Spannung abhängt.

Für deine eigentliche Anwendung - Vergleich einer (belastbaren) 
Versorgungsspannung mit einem (belastbaren) DAC-Ausgang - wäre das 
Verhalten des OPVs nicht mehr kritisch, oder? Erstens sind die 
Innenwiderstände der Quelle dann niedriger als bei deiner Testmessung. 
Zweitens ergeben sich die 150mV Verschiebung aus deiner Testmessung wohl 
nur bei großen Differenzen am Eingang (und sind da für das 
Schaltverhalten egal). Wenn die Differenz am Eingang kleiner wird, dann 
wird wahrscheinlich auch der Eingangsstrom kleiner und die Verschiebung 
verschwindet.

Wenn du es trotzdem anders lösen willst:
- einen Komparator oder einen OPV suchen, dem die Differenzspannung am 
Eingang egal ist. Der erste, auf den ich gestoßen bin, ist der MCP6541, 
aber es gibt sicher eine Menge möglicher Kandidaten. Oder alternativ:
- vor den LM7301 als Komparator einen LM7301 als Spannungfolger schalten 
(mit Rückkopplung), der den Eingang des Komparators dann niederohmig 
treibt. Du scheinst ja viele von den LM7301 vorrätig zu haben ;-)

von Der Lernende (Gast)


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Danke für die Erklärung!

>Für deine eigentliche Anwendung - Vergleich einer (belastbaren)
>Versorgungsspannung mit einem (belastbaren) DAC-Ausgang - wäre das
>Verhalten des OPVs nicht mehr kritisch, oder?

Prinzipiell  ist die Sache nicht kritisch. Derzeit gibt es keine 
Kundenhardware welche sich mit 0.6uA versorgen läßt. Die brauchen 
deutlich alle mehr.
Ich werde aber auf jeden Fall die Differenzspannung verkleinern, um den 
Effekt weiter zu minimieren.

Ja die LM7301 haben wir an verschiedenen Stellen im Einsatz und sind 
somit reichlich vorhanden. Ich wollte bei den Tests nur sicherstellen, 
das keiner defekt ist. Ich denke letztendlich sind alle noch OK.
Die Variante mit dem vorgeschaltetem Spannungsfolger klingt auch nicht 
schlecht, werde sie im Hinterkopf behalten.

Danke nochmal!

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