Hallo zusammen, ich habe in einer Schaltung einen LMV321, der als programmable Gain Amplifier arbeitet. Hier gibt's Infos zur Schaltung: http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/op_PGA/op_pga.htm Ich setze den Analogschalter 74LV4052 ein. Die Verstärkerschaltung soll eine Bandbreite von mindestens 10 kHz bis 100 kHz (-3dB) haben. Die kleinste einstellbare Verstärkung ist 1, die größte ist ca. 5. Leider schwingt das Ausgangssignal am OP, wenn die Verstärkung auf 1 eingestellt ist (oberster Schalter geschlossen). Hatte daraufhin den 4p7-Kondensator direkt am OP testhalber eingelötet, der HF-mäßig den OP-Ausgang zum invertierenden Eingang brücken soll. Denn es sind ca. in Summe 5 cm Leiterbahnlänge zwischen OP und Analogschalter-IC. Brachte aber gar nichts. Da fiel mir wieder ein, dass ich manchmal in OP-Datenblättern soetweas wie "Unity Gain stable" gelesen habe. Was hat es damit auf sich? Warum ist eine Verstärkung von 1 denn so kritisch? Was kann ich gegen das Problem unternehmen? Brauche ich gar einen anderen OP? Nachtrag: Bevor die Frage kommt: ein 100n-Abblockkondensator ist nahe der Versorgungspins montiert, Versorgungsspannung ist Single Supply 5 V. Danke Third Eye
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Das kann ich nicht machen, da mein AC-Signal einen DC-Anteil von 1/2 Vcc hat.
Dann wirst du dein Problem vielleicht nicht in den Griff bekommen. Benutz doch einfach eine negative Rail statt GND. Oder misch deinem AC-Anteil einfach 1/2 VCC-DC dazu und entkoppel es anschließend wieder mit einem C.
Kannst du mir erläutern, warum der Kondensator (es ist ein X7R eingesetzt) an dieser Stelle problematisch ist?
Third E. schrieb: > Da fiel mir wieder ein, dass ich manchmal in OP-Datenblättern > soetweas wie "Unity Gain stable" gelesen habe. Ja... kein schlechter Einfall. Ich kenne den LMV321 nicht persönlich, finde es aber sehr verdächtig, dass dort NICHT erwähnt ist, er sei "unity gain stable". Den Diagrammen zufolge dürfte er allerdings nicht schwingen. Sehr seltsam alles. > Was hat es damit auf sich? Warum ist eine Verstärkung > von 1 denn so kritisch? Je niedriger die eingestellte Signalverstärkung ist, desto höher ist (beim selben OPV) die Schleifenverstärkung. Je höher die Schleifenverstärkung ist, desto leichter ist die Schwingbedingung zu erfüllen -- auch wenn das gar nicht beabsichtigt ist. > Was kann ich gegen das Problem unternehmen? Für OPVs, die nicht unity-gain-stabil sind, gibt es Tricks. Ist aber Würgerei und nicht wirklich zu empfehlen. > Brauche ich gar einen anderen OP? Ich würde testweise den OPV gegen einen anderen Typ ersetzen. Bleibt das Problem bestehen, liegt's an der Schaltung. Ist das Problem dann weg, lag's am OPV-Typ.
- Serienwiderstand zum Ausgang vllt. doch einbauen - Vertärkung von 2 bis 10 vorsehen und Eingangsspannung halbieren (könnte aber mit der Leistungsbandbreite problematisch werden)
Wenn du einen Abblockkondensator an den Versorgungsspannungspins des LMV321 hast, sollte die Schaltung eigentlich nicht schwingen. C3 zur Vermeidung der Verstärkung des DC-Anteils ist üblich und sollte kein Anlass zu Schwingungen sein. Wie genau schwingt die Schaltung? Nur abklingend bei Spüngen in Eingangssignal? Ständig auch bei konstanter Spannung em Eingang? Wir groß ist die Schwingungsamplitude etwa? Wie groß ist die Versorgungsspannung?
Third E. schrieb: > Kannst du mir erläutern, warum der Kondensator (es ist > ein X7R eingesetzt) an dieser Stelle problematisch ist? Wenn der OPV Eins-stabil ist, ist dieser Kondensator in der Regel NICHT problematisch.
Third E. schrieb: > Warum ist eine Verstärkung von 1 denn so > kritisch? Weil bei der Spannungsverstärkung von 1 die Schleifenverstärkung am größten ist (das Signal wird in der Rückkopplung am wenigsten runtergeteilt). Und das Schwingen kommt daher, dass die Schleifenverstärkung noch größer 1 ist (d.h. eine Schwingung wächst an), wenn die Phasenreserve aufgebraucht ist (also aus der eigentlich gewünschten Gegenkopplung eine unerwünschte Rückkopplung wird). "Eigentlich" ist der LMV321 unity gain stable. Mit deinem Halbleiterschalter gibst du ihm einige 10pF parasitäre Kapazität am inv-Eingang. Die werden nicht beliebig schnell umgeladen (wegen des Ausgangswiderstands des LMV und wegen des Längswiderstands des Halbleiterschalters), so dass du Phasenreserve aufbrauchst. Rein rechnerisch sollte es imho noch für einen stabilen Aufbau reichen, aber der reale Aufbau ist offensichtlich anderer Ansicht. Was hängt denn noch so als Last am OPV Ausgang? Hast du bei der Messung evtl. einen Oszi-Tastkopf ohne Tastteiler benutzt? Allein das kostet den LMV312 schon diverse 10° Phasenreservere (siehe Fig. 3 im Datenblatt). Third E. schrieb: > Hatte daraufhin den 4p7-Kondensator direkt am OP testhalber eingelötet, > der HF-mäßig den OP-Ausgang zum invertierenden Eingang brücken soll. 4p7 dürfte wenig sein, weil die parasitäre Kapazität durch den Analogschalter deutlich größer ist. Kannst ja mal versuchsweise 47pF einsetzen.
Yalu X. schrieb: > Wie genau schwingt die Schaltung? > > Nur abklingend bei Spüngen in Eingangssignal? > > Ständig auch bei konstanter Spannung em Eingang? > > Wir groß ist die Schwingungsamplitude etwa? > > Wie groß ist die Versorgungsspannung? Gute Fragen. -- Ergänzend: - Wie hoch ist die Schwingfrequenz, wenn es schwingt? - Ist die Frequenz eher stabil oder stark handempfindlich?
"Eigentlich" ist der LMV321 unity gain stable. Also laut Datenblatt ist er das. Also von daher keine Einwände, muss woanders dran liegen, vlt kann er wirklich die 0V nicht udn braucht negative Versorgungsspannung oder so?
Possetitjel schrieb: > Ich kenne den LMV321 nicht persönlich, Das ist die Low-Voltage-Rail-to-Rail-Variante eines Viertels des altbekannten LM324 mit ähnlicher AC-Charakteristik. > finde es aber sehr verdächtig, dass dort NICHT erwähnt ist, er sei > "unity gain stable". Aus dem Datenblatt von National:
1 | The LMV321/358/324 can directly drive 200pF in unity-gain without |
2 | oscillation. |
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Yalu X. schrieb: >> finde es aber sehr verdächtig, dass dort NICHT erwähnt ist, >> er sei "unity gain stable". > > Aus dem Datenblatt von National: [...] Stattgegeben. Im DaBla von TI stehts nicht explizit drin (zumindest habe ich es nicht gefunden). Man kann es nur aus Andeutungen raten.
Yalu X. schrieb: > Aus dem Datenblatt von National: > > The LMV321/358/324 can directly drive 200pF in unity-gain without > oscillation. Dummerweise belastet der OP aber den Ausgang über die Widerstandskette mit 220nF. Ich würde den einfach mal rausnehmen und prüfen, ob er dann bei A=1 immer noch schwingt.
Ralf D. schrieb: > Dummerweise belastet der OP aber den Ausgang über die Widerstandskette > mit 220nF. So ein Unsinn. Der Kondensator hängt in keinster Weise direkt am Ausgang. Durch den ganzen Widerstandsstrang dazwischen, ist der Effekt den der Kondensator auf den Ausgang hat so gering, dass er kaum die Ursache dafür sein kann. Wie soll der Kondensator mit einem so hochohmigen Widerstand dazwischen die Phasenreserve des OPVs merklich reduzieren?
Ich habe eben mal die Auswirkung mit einem LM321 simuliert. Wir reden hier von etwa 0,15° Änderung durch den Kondensator. Also nahezu vernachlässigbar. Interessanter wären die parasitären Kapazitäten des Analogschalters.
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Der LMV321 ist empfindlich auf CL. So wird im Fairchild Datenblatt Seite 8 "Driving Capacitive Loads" empfohlen bei Spannungsfolgern und CL=200pF ein RS = 450 Ohm zu verwenden. Versuchsweise könnte man einen Widerstand an den OPV-Ausgang wie im angehängten Bild einbauen. Jedoch wird dadurch abhängig vom Laststrom die max. Ausgangsspannung kleiner.
Weil die Frage aufkam: Mein zu verstärkendes Signal ist sinusförmig. Das Schwingen tritt an mehreren Stellen des Sinus auf, ist hochfrequent, die Amplitude ist grob geschätzt ca. 5% der Sinusamplitude. Ich habe jetzt mal Versuche gemacht. Wenn der Ausgangspin offen ist (es hängt nur ein Tastkopf mit 10 MOhm dran), schwingt es, wenn ich <= 10 kOhm gegen Masse anklemme, schwingt nichts mehr. Es sind also wohl die parasitären Kapazitäten durch Leiterbahn und Analogschalter nicht vernachlässigbar. Der Tipp mit dem Reihenwiderstand ist auch gut! Allgemeine Frage: Wie kann ich feststellen, ob so eine OP-Schaltung nahe an einem kritischen Punkt ist? Wenn ich eine Verstärkung größer 1 hätte , würde ich wohl ein Bode-Diagramm aufnehmen, zumindest mit ein paar Punkten. Dann würde ich sehen, ob es die Gefahr gibt, dass es zu einer Mitkopplung kommt (Phasenverschiebung 360° und v >= 1). Aber wie kriege ich solche Informationen in meinem Fall des Impedanzwandlers, wo U_IN- = U_OUT ist?
Third E. schrieb: > Leider schwingt das Ausgangssignal am OP Mit C3 hast du ja auch eine klassische Oszillatorschaltung. Third E. schrieb: > Warum ist eine Verstärkung von 1 denn so kritisch? Der OpAmp hat eine Durchlaufzeit für das Signal durch eine begrenzte slew rate. Muss er doppelt so stark verstärken, ist die Durchalufzeit doppelt so gross. Daher kommt er bei grösserer Verstärkung nicht so nah an die kritische Phasenverschibung ran, ab der ein OpAmp zum Oszillator wird.
Third E. schrieb: > Mein zu verstärkendes Signal ist sinusförmig. Das > Schwingen tritt an mehreren Stellen des Sinus auf, ist hochfrequent, die > Amplitude ist grob geschätzt ca. 5% der Sinusamplitude. Er schwingt also nicht dauerhaft sondern nur an bestimmten Stellen des Sinus? Zeig uns doch mal eine Messung davon. Es wäre auch interessant zu sehen, mit welcher Frequenz der OPV so schwingt. Third E. schrieb: > es > hängt nur ein Tastkopf mit 10 MOhm dran Der Tastkopf ist also auch wirklich in der 1:10 Teilereinstellung? (Es gibt Tastköpfe, bei denen man x1 und x10 umstellen kann. Wenn du den versehentlich in der x1 Einstellung betreibst, hat er eine ca. 10 mal größere Kapazität, die den OPV-Ausgang belastet). Third E. schrieb: > Der Tipp mit dem Reihenwiderstand > ist auch gut! Im Prinzip ja, aber bitte nicht so wie oben gezeichnet. In der Skizze ist der Längswiderstand innerhalb der Rückkoppelschleife, und so eingebaut verschlimmert er die Schwingneigung (weil er die Phasenverschiebung der Rückkopplung erhöht). Wenn der Längswiderstand hinter der Rückkopplung kommt, reduziert er die Schwingneigung (allerdings zu dem Preis, dass man dann hinter dem Widerstand ein "weniger genaues" Signal hat, das bei hohen Frequenzen gedämpft ist).
Der Tastkopf ist ein nicht umschaltbarer 10:1-Typ. Das gelbe Signal ist Eingang, das grüne Signal Ausgang. Es hängt nur der Tastkopf daran. Wie man an der kleineren abklingenden Schwingung, kurz vor 90° sieht, wird die störende Oszillation wohl durch eine Störung von außen angetriggert. Die größere Störung ist nicht immer präsent. Ich musste etliche Male den Trigger stoppen, bis ich das Bild da hatte.
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Die LM324 haben eine sehr unangenehme Eigenschaft, eher eine Unverschämtheit der Designer: Sie haben eine Ausgangsstufe im B-Betrieb (oder ist das schon C?). Die Basen und Emitter der Ausgangstransistoren sind direkt zusammengeschaltet. Bei Richtungswechsel des Ausgangsstrom, wenn also ein Übergang zwischen den beiden Ausgangstransistoren stattfindet, muss die Treiberstufe einen größeren Sprung (0,6 oder 1,2 V) ausführen, bis der andere Transistor leitet. Die Folge sind heftige Übernahmeverzerrungen. Das ist hier öfter schon erwähnt worden, aber ich fürchte dass nahezu jeder, dem mal eine 324 in der Entwicklung unterkommt, fast zwangsläufig darauf reinfallen muss. Ich musste es auch. Das könnte auch für die LMV32x gelten und auch hier der Fall bzw. die Ursache für die partiellen Schwingungen sein. Ein Richtungswechsel des Ausgangsstroms tritt auch bei dir ein, wenn die Schaltung in der Praxis genau so wie gezeichnet ist. Den Richtungswechsel kann man vermeiden, wenn mit einer Grundlast der Ausgang ständig in eine Richtung gezogen wird. Ein Versuch mit einem Pull-up oder Pull-down-Widerstand am Ausgang, 1 bis 10 kOhm, würde dann das Phänomen beseitigen.
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Wobei sich diese Übernahmeverzerrungen eher bei höherer Verstärkung bemerkbar machen. Bei stärkerer Gegenkopplung kann der OPV die noch besser ausregeln. Beliebte Lösung, um dieses V=1 Problem zu umgehen ist die Reihenschaltung R=2k und C=100nF zwischen invertierendem und nicht invertierendem Eingang. Damit wird dem OPV eine Verstärkung von 10 "vorgetäuscht" und er ist ruhig. Hab ich früher mit (TD)A2030 gemacht, wenn der mit niedrigerer Verstärkung betrieben werden musste. mfG
Hi Uwe, danke für Deinen Beitrag. Ich habe in keinem Datenblatt der großen Hersteller eine interne Struktur des LMV321 gefunden. LM321 ja, z.B. hier http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm321.pdf Wo ist denn Deine Info her? Danke, Marcus
Uwe B. schrieb: > Die LM324 haben eine sehr unangenehme Eigenschaft, eher eine > Unverschämtheit der Designer: Sie haben eine Ausgangsstufe im B-Betrieb > (oder ist das schon C?). Die Basen und Emitter der Ausgangstransistoren > sind direkt zusammengeschaltet. Bei Richtungswechsel des Ausgangsstrom, > wenn also ein Übergang zwischen den beiden Ausgangstransistoren > stattfindet, muss die Treiberstufe einen größeren Sprung (0,6 oder 1,2 > V) ausführen, bis der andere Transistor leitet. Die Folge sind heftige > Übernahmeverzerrungen. Das ist hier öfter schon erwähnt worden, aber ich > fürchte dass nahezu jeder, dem mal eine 324 in der Entwicklung > unterkommt, fast zwangsläufig darauf reinfallen muss. Ich musste es > auch. Interessant! Genau dieses Verhalten hatte ich beim LM324 auch schon gesehen. Das Phänomen trat auf, sobald die zu treibende Last etwas niederohmiger wurde. Richtig viel Last hatte ich da nicht mal. Der Strom war deutlich unter 1 mA. Natürlich wies das PSPICE-Modell dieses Verhalten nicht auf... Hatte dann einen anderen OP-Typ genommen. LM324 von verschiedenen Herstellern verhielten sich in der Hinsicht übrigens sehr unterschiedlich, aber dennoch weit enfernt von gut. > > Das könnte auch für die LMV32x gelten und dass das auch hier der Fall > bzw. die Ursache für die partiellen Schwingungen ist. Ein > Richtungswechsel tritt auch bei dir ein, wenn die Schaltung in der > Praxis genau so wie gezeichnet ist. Den Richtungswechsel kann man > vermeiden, wenn mit einer Grundlast der Ausgang ständig in eine Richtung > gezogen wird. Ein Versuch mit einem Pull-up oder Pull-dowwn-Widerstand > am Ausgang, 1 bis 10 kOhm, würde dann das Phänomen beseitigen. Hört sich plausibel an, warum es mit Lastwiderstand besser ist.
Um das Problem mal etwas einzugrenzen: Ist die Versorgunbgsspannung des LM321 glatt, oder siehst du dort ähnliche Schwingungen? Entstehen die Schwingungen auch dann, wenn du die ganzen Widerstände, Kondensatoren und Analogschalter weglässt und den LM321 nur mit einem Stück Draht vom Ausgang zum invertierenden Eingang als Spannungsfolger schaltest?
Ich habe etwas zum Thema "unity-gain stable" gefunden (S. 13): http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/43-09/Edch%201%20op%20amps.pdf Zitat: "If the open-loop gain has dropped below 0 dB (unity gain) before it hits the 2nd pole, the op amp will be unconditional stable at any gain. Wenn ich mir Figure 2 auf Seite 8 von http://www.ti.com/lit/gpn/lmv321 ansehe, sehe ich da keinen zweiten Knick (= 2nd Pole) in der Nähe von 0 dB. Demnach ist der OP von TI "unity-gain stable", auch wenn das nicht explizit da steht.
Uwe B. schrieb: > Das könnte auch für die LMV32x gelten und auch hier der Fall bzw. die > Ursache für die partiellen Schwingungen sein. Übernahmeverzerrungen als Anstoß für das beobachtete Nachschwingen passen tatsächlich gut. Laut Messung ist der Verstärker ja auch nicht wirklich instabil, er hat nur eine geringe Phasenreserve und schwingt deshalb nach der Störung (durch die Übernahmeverzerrung) unverhältnismäßig lang nach. Third E. schrieb: > Wie man an der kleineren abklingenden Schwingung, kurz vor 90° sieht, > wird die störende Oszillation wohl durch eine Störung von außen > angetriggert. Wenn die Last kapazitiv ist, dann findet die Übernahme der Ausgangstransistoren bei ~90° statt (bis dahin wurde die Last über den Highside aufgeladen, danach wird sie über den Lowside entladen). Die identische Ausgangsstufe wie beim LM324 kann ich mir beim LMV324 nicht vorstellen (mit Ausgangsstufen in Kollektorschaltung würde man ja nicht annähernd an die rails rankommen). Bei TI sieht man es auch im Datenblatt (S. 16): http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmv321.pdf Aber der Kick bei der Übernahme des anderen Ausgangstransistors dürfte trotzdem der Anstoß für das lange Nachschwingen sein. Die Vermeidung der Übernahmeverzerrung durch einen entsprechenden Lastwiderstand könnte das Problem tatsächlich umgehen. "Schöner" fände ich, wenn man es durch Gewinnung von mehr Phasenreserve ganz aus der Welt schaffen könnte.
Achim, Danke für's Raussuchen. Ich hatte vorhin ein paar Datenblätter quergelesen, aber das Bild habe ich übersehen. Witzige hybride BJT/FET Endstufe. Die Struktur hilft bei der Interpretation von "Output Swing" etc. ...
Marcus H. schrieb: > Ich habe in keinem Datenblatt der großen Hersteller eine interne > Struktur des LMV321 gefunden. Ich auch nicht. > LM321 ja, z.B. hier http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm321.pdf Der LM321 ist ja kein LMV321. Der LM321 hat keinen Rail-to-Rail Output, für den LMV321 ist ein Rail-to-Rail Output spezifiziert. Das heißt, dass der LMV321 eine ganz andere Ausgangsstufe als der LM321 hat, und das macht es wahrscheinlich, dass sein Verhalten bei Übernahmeverzerrungen anders ist. Also könnte meine Diagnose durchaus falsch sein - muss es aber nicht. Deswegen hatte ich auch formuliert: "Das könnte auch für die LMV32x gelten und auch hier der Fall bzw. die Ursache für die partiellen Schwingungen sein." > Wo ist denn Deine Info her? Wo du sie auch her hast, auch nur LM32x. Nachtrag: Beim LMV321 dürfte es definitiv keine Übernahmeverzerrungen geben. Quelle: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmv321-n.pdf, Kapitel 8.1.1.8: Ease of Use and Crossover Distortion The LMV321-N/LMV358-N/LMV324-N offer specifications similar to the familiar LM324-N. In addition, the new LMV321-N/LMV358-N/LMV324-N effectively eliminate the output crossover distortion. ... Vergleichsoszillogramme sind auf der nächsten Seite zu finden. (Gilt das eventuell nur für die TI-Varianten?)
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