Hallo,
ich möchte mit einem Operationsverstärker (TL072) ein Sinussignal mit
1Vss auf 5Vss verstärken und einen Offset von 2.5V hinzufügen.
Zunächst wollte ich die Slew Rate des Operationsverstärkers messen. Laut
Datenblatt (min. 8V/µs, typ. 13V/µs) sollte der TL072 dies noch
schaffen. Um die Werte aus dem Datenblatt zu überprüfen habe ich mit
einem Attiny13 ein Rechtecksignal mit ca. 300kHz erzeugt und dieses an
den als invertierenden Verstärker beschalteten OPV gelegt. Das
Angehängte Bild zeigt das Ausgangssignal des OPV's. Es ergibt sich eine
Slew Rate von ca. 9V/µs.
Die Spannungsspitzen auf dem Bild kann ich mir allerdings nicht
erklären. Ich hätte ein Trapez oder ein leichtes Überschwingen erwartet,
aber woher kommen die Spannungsspitzen auf dem Bild?
Nun zur Offsetspannung:
Immer wieder sieht man die Schaltung eines invertierenden Verstärkers
bei dem die Offsetspannung über ein Potentiometer am + Eingang
eingestellt wird. In folgendem Beitrag
Beitrag "Re: Offsetspannung OPV-schaltung eliminieren"
wird erwähnt, dass diese Schaltung im "mV Bereich" eingesetzt werden
kann. Interpretiere ich das jetzt richtig, dass dies heist ich kann den
Offset mit einer Genauigkeit im mV-Bereich einstellen? Oder ist damit
gemeint dass der Offset im mV-Bereich liegen sollte?
much schrieb:> woher kommen die Spannungsspitzen auf dem Bild
Durch die zu schnellen Flanken wird der OPV überfordert, das
Ausgangssignal kann nicht so schnell steigen/fallen wie nötig -> die
Gegenkopplung funktioniert nicht -> die Eingangsstufe wird total
übersteuert und vom Signal "übergangen" -> die Ausgangsstufe wird direkt
etwas angesteuert (daher die Fortsetzung der Flanken von den
Spitzenwerten).
Da du einen inv. Verstärker hast, kannst du einen beliebigen Offset ganz
einfach durch hinzufügen eines Widerstandes vom Summierpunkt zu einer
Referenzspannung erzeugen.
much schrieb:> Es ergibt sich eine> Slew Rate von ca. 9V/µs.
Das wird ein Gemisch aus der echten typ. Slewrate, und der Bandbreite
des OPs sein. Also eigentlich noch sehr gut.
Da die Spikes erheblich schneller sind als 9V/us, muss es ein anderer
Effekt sein, also das kommt ziemlich sicher nicht vom OP. Koppelt der
Eingang irgendwie kapazitiv zum Ausgang durch? Oder stimmt was nicht mit
der Masse?
Dein Rechteck erscheint quasi wieder am Ausgang, und zwar so lange, bis
der OP wieder gegensteuern kann...
much schrieb:> ein Rechtecksignal mit ca. 300kHz erzeugt und dieses an> den als invertierenden Verstärker beschalteten OPV gelegt
Und genau dieses Rechteck schlägt direkt zum Ausgang durch, unabhängig
vom OP. Dazu genügen ja nach weiterer Beschaltung kleinste Kapazitäten.
Uwe S. schrieb:> Und genau dieses Rechteck schlägt direkt zum Ausgang durch, unabhängig> vom OP. Dazu genügen ja nach weiterer Beschaltung kleinste Kapazitäten.
Nö. Denn diese Kapazitäten bilden mit der Tastkopfkapazität einen
Spannungsteiler. Wenn man mal 0,5pF Durchkoppelkapazität und 10pF
Tastkopfkapazität annimmt, dann dürfte am Ausgang nur 1/20tel des
Einganssprunges zu sehen sein. Das würde bedeuten, dass der Kanditat
60Vss an den Eingang gelegt hat.
Uwe S. schrieb:> Koppelt der> Eingang irgendwie kapazitiv zum Ausgang durch? Oder stimmt was nicht mit> der Masse?Uwe S. schrieb:> Und genau dieses Rechteck schlägt direkt zum Ausgang durch, unabhängig> vom OP. Dazu genügen ja nach weiterer Beschaltung kleinste Kapazitäten.
Dass der Effekt von irgendwelchen Kapazitäten kommt klingt einleuchtend.
Der Tastkopf des Oszilloskopes war abgeglichen. Wenn ich die Verbindung
zwischen µC und OPV trenne habe ich ein sauberes Rechtecksignal am
Ausgang des µC. Wird der Ausgang mit dem invertierenden Verstärker
verbunden schaut der Rechteck am µC-Pin aus wie ein überkompensiertes
Rechtecksingal.
Es liegt also nicht an den internen Kapazitäten im OPV?
ArnoR schrieb:> Da du einen inv. Verstärker hast, kannst du einen beliebigen Offset ganz> einfach durch hinzufügen eines Widerstandes vom Summierpunkt zu einer> Referenzspannung erzeugen.
Ich kann also die verlinkte Schaltung mit dem Poti am positiven Eingang
des Operationsversärkers verwenden oder muss ich bzgl. der
Referenzspannung noch etwas beachten (Innenwiderstand?)? Die Genauigkeit
der Offsetspannung ist nicht besonders kritisch.
much schrieb:> Ich kann also die verlinkte Schaltung mit dem Poti am positiven Eingang> des Operationsversärkers verwenden
Die kannst du auch verwenden, allerdings hatte ich die nicht gemeint.
Der Summierpunkt ist der inv. Eingang des OPV. Von dort einfach einen
passenden Widerstand nach +Vcc oder -Vcc, je nach Offset-Wunsch.
Uwe S. schrieb:> also das kommt ziemlich sicher nicht vom OP.
Hätte ich auch gedacht, bin mir aber inzwischen nicht mehr so sicher.
Denn der Effekt wird auch in der Simu (ohne externe Kopplungspfade)
bestätigt. Sicher koppelt da was durch, aber wohl innerhalb des OPV,
nicht "außenrum".
Die kräftigen Überschwinger zeigen sich nur beim Inv-Verstärker, nicht
beim Spannungsfolger. Und der Effekt ist stärker bei kleinen
Widerständen/großen Strömen. Aber das kann ja mit der tatsächlichen
Situation bei much übereinstimmen.
Achim S. schrieb:> Aber das kann ja mit der tatsächlichen> Situation bei much übereinstimmen.
Ich verwende 22k Widerstände für den Invertierenden Verstärker
(Verstärkung = 1). Der Aufbau ist ganz bestimmt nicht optimal, da die
Schaltung nur auf dem Steckbrett aufgebaut wurde. Die Betriebsspannungen
des Operationsverstärkers sind mit 100nF dicht am Versorgungspin
gebuffert.
Nachtaktiver schrieb:> Schau dir mal die Ströme in den Eingängen an. Bei deinen Spannungsfolger> sind diese nicht begrenzt.
Liegen in der Simu bei 45pA, und die Peaks beim Umschalten sind in
beiden Fällen im einstelligen pA-Bereich.
much schrieb:> Ich verwende 22k Widerstände für den Invertierenden Verstärker
bei 22k sieht man in der Simu nichts mehr vom Übersprechen.
OK, der TL072 ist ja nun nicht gerade ein moderner OP. Aber daß der
solche Kapazitäten hat, ist ja ein Ding. Hätte da eher an eine externe
Kapazität gedacht, z.B. weil alles auf Steckboard aufgebaut ist oder
so...da wirklich nur pF benötigt würden, wäre das immer noch
vorstellbar.
Das hat nix mit Kapazitäten zu tun.
Da der OPV als invertierender Verstärker benutzt wird, hängt das
Eingangssignal direkt am Gegenkopplungsnetzwerk. Und über dieses geht
des Einganssignal unter Umgehung des OPV auf dessen Ausgang. Da der OPV
vergleichsweise träge ist, regelt er das nicht sofort aus, und damit ist
die Spitze zu sehen (und deswegen klappt sogar die Simulation dieser
Peaks).
Ich denke nicht, dass diese Erklärung stimmt, denn die sich daraus
ergebenden Pulsformen passen nicht zum Oszillogramm ganz oben. Der
Tiefpass aus der Beschaltung und der Tastkopfkapazität ergibt viel
langsamere Flanken als oben gezeigt. Außerdem müsste der OPV dann einen
für die Flanken wirksamen Ausgangswiderstand von 22k haben. Die 10pF
sind noch optimistisch, zumal weil da keine Streukapazität und keine
Ausgangskapazität des OPV berücksichtigt sind.
Vielleicht kommt noch ein Masseführungsproblem hinzu. Oder Tastkopfmasse
nicht direkt am OPV angeschlossen.
Jedenfalls sind diese Durchschläge übers Rückkopplungsnetzwerk nicht
ganz unbekannt, wenn der OPV mit zu steilen Flanken überrascht wird.
ArnoR schrieb:> Ich denke nicht, dass diese Erklärung stimmt
Die stimmt ja auch nicht. Allein schon, weil der OP-Ausgang zwar träge,
aber dennoch an jedem Punkt laständerungsstabil ist. Niemals gibt es
dort durch resistive Effekte einen Spannungssprung in Höhe der vollen
Eingangsspannung. Ausnahme: der OP ist ausgangsseitig schon voll
ausgesteuert. Dann ist der Ausgang für höhere Spannungen in diese
Richtungen hochohmig.
@much: welche Spannungen nutzt du denn an den Rails? Der TL072 ist kein
RRO.
Das Problem mit der Spitze bei der Erstmessung kann man wie bereits
kommentiert dadurch vermeiden, in dem man keinen invertierenden
Verstärker nimmt.
Man baut einen Spannungsfolger auf und steuert ihn mit einem schnellen
Impuls an und misst die Anstiegszeit am Ausgang. Dann gibt es das
erwartete Bild mit geringem Übersteuern.
@ Uwe S. (regionalligator)
>ArnoR schrieb:>> Ich denke nicht, dass diese Erklärung stimmt>Die stimmt ja auch nicht. Allein schon, weil der OP-Ausgang zwar träge,>aber dennoch an jedem Punkt laständerungsstabil ist. Niemals gibt es>dort durch resistive Effekte einen Spannungssprung in Höhe der vollen
Und Du meinst, der OPV hält sich an Dein "niemals"?
Der ist nur laststabil, solange er der Änderung folgen kann. Und das
kann er mit zunehmender Frequenz immer schlechter.
Nach den Ausführungen von ArnoR könnten da aber noch andere Effekte
mitwirken, da die Anstiegszeit offensichtlich nicht nur reinweg durch
das Gegenkopplungsnetzwerk erklärt werden kann. Also kapazitive
Einkopplungen, schlechte Masseführung, ...
Unser TO könnte ja mal testweise das Rechteck über 22k (bzw. 44k) direkt
auf den OPV-Ausgang einspeisen, und das Ausgangsverhalten beobachten.
Uwe S. schrieb:> @much: welche Spannungen nutzt du denn an den Rails? Der TL072 ist kein> RRO.
Der OPV wird mit +-15V versorgt. Der µC der das Rechtecksignal erzeugt
wird mit 5V versorgt. Die Verstärkung beträgt ja -1. Es geht sich also
aus ohne dass der OPV in die Nähe der Rails kommt.
Jens G. schrieb:> Vielleicht kommt noch ein Masseführungsproblem hinzu. Oder Tastkopfmasse> nicht direkt am OPV angeschlossen.
Der Aufbau ist wie gesagt auf dem Steckbrett. Die Masse des Tastkopfes
ist über die Kroko-Klemme des Tastkopfes angeschlossen. An sich auch
nicht optimal. ich hatte gedacht. für die 300kHz reichts noch.
Jens G. schrieb:> Unser TO könnte ja mal testweise das Rechteck über 22k (bzw. 44k) direkt> auf den OPV-Ausgang einspeisen, und das Ausgangsverhalten beobachten.
Bin mir nicht ganz sicher wie du das meinst. Ausgangssinal des µC über
44kOhm auf den Ausgangspin des OPV und die Eingänge offen lassen?
>Bin mir nicht ganz sicher wie du das meinst. Ausgangssinal des µC über>44kOhm auf den Ausgangspin des OPV und die Eingänge offen lassen?
Die Eingänge ganz normal beschalten, also mit Rückkopplung, wie Du sie
schon hattest, so daß am Ausgang 0V Ruhepegel wird. Dann einfach via R
das Rechteck vom µC auf den Ausgang geben, und schauen. Ist einfach nur
ein Test, um zu sehen, ob und wie der OPV die (Stör-)Flanken an seinem
Ausgang unterdrückt.
Jens G. schrieb:>>Die stimmt ja auch nicht. Allein schon, weil der OP-Ausgang zwar träge,>>aber dennoch an jedem Punkt laständerungsstabil ist. Niemals gibt es>>dort durch resistive Effekte einen Spannungssprung in Höhe der vollen>> Und Du meinst, der OPV hält sich an Dein "niemals"?>> Der ist nur laststabil, solange er der Änderung folgen kann.
Das glaube ich nicht. Wäre vielleicht bei einem diskret aufgebautem OP
noch so. Halbwegs moderne OPs haben in der Ausgangsstufe
hochverstärkende Spannungsfolger. Die Spannung, die intern gerade
ausgegeben wird, bleibt am Ausgang auch unter sehr schnell wechselnder
Last bestehen. Solange man mit der Last im normalen Rahmen bleibt,
versteht sich. Aber es ist ja eh nicht der Rede wert, denn der
Spannungssprung hat ja ca. die Höhe der Eingangsspannung. Viel zu viel
für irgendwas resistiv Verursachtes.
opv_slewrate.png
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