Potentialdifferenzverstärker

[Falk L. (fmx)]

Hallo Zusammen,

ich hätte drei Fragen zum Potentialdifferenzverstärker:

https://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverst%C3%A4rker-Grundschaltungen#Der_Potentialdifferenzverst.C3.A4rker


Betreiben möchte ich die Schaltung mit 5V single supply.

1. Die 3dB Grenzfrequenz soll bei ca 1 MHz liegen. Die einzelnen 
Summanden bzw. Subtrahenden werden zum Teil 1:1 summiert bzw. 
heruntergeteilt. Es wird also nichts verstärkt.
Wie berechnet man dann bei dieser Schaltung die notwendige GBW um den 
erforderlichen Frequenzbereich abzudecken?

2. Es ist theoretisch möglich, das dass Ergebnis der Operation '< 0V' 
bzw. '> 5V' ist. Ausgegeben werden soll in diesem Fall 0V bzw. 5V.
Kann es zu Problemen kommen, wenn das Ergebnis bspw. theoretisch -4V 
beträgt (die Summe an U+ also viel kleiner ist als U-) oder umgekehrt 
das Erbegnis bspw. 7V wäre? Eigentlich dürfte es doch egal sein, oder? 
Die Schaltung arbeitet doch dann einfach in Sättigung, wobei das 
Ergebnis in die jeweilige Rail getrieben wird?

3.Ich bin mir unsicher, welchen OPV ich wählen soll. Gibt es bestimmte 
Anforderungen auf die man bei der praktischen Verschaltung des OPV als 
Potentialdifferenzverstärker besonders Wert legen sollte? Oder reicht 
irgendein universeller OPV der die geforderte Banbreite stemmt?

Grüße,
Falk

[Mark S. (voltwide)]

Wenn Du z.B. 5 Eingänge einfach summierst, d.h. jeden mit 1-facher 
Verstärkung gewichtest, steigt die innere Verstärkung auf 5-fach, 
entsprechend fällt auch die Bandbreite. Die zu fordernde Bandbreite 
wächst also mit der Zahl der Eingänge des Summierers.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Zu Frage 1:

Die Grenzfrequenz ist die GBW multipliziert mit dem
Gegenkopplungsfaktor, also

fg = GBW · (R0 ∥ R1 ∥ R2 ∥ ... ∥ Rn) / R0

Die Widerstände R0', R1' ... Rn' haben keine Auswirkung auf die
Grenzfrequenz.

Also lautet bei der gewünschten Grenzfrequenz fg die Bedingung für die
GBW:

GBW ≥ fg · R0 / (R0 ∥ R1 ∥ R2 ∥ ... ∥ Rn)

Zu Frage 2:

Prinzipiell ist das kein Problem, du solltest aber zwei Dinge beachten:

1. Bei manchen Opamps sind die Eingänge mit antiparallelen Dioden
   verbunden, um die Eingangsdifferenzspannung zu begrenzen. Im
   Übersteuerungsfall musst du also mit erhöhten Eingangsströmen
   rechnen, die einen im Datenblatt angegebenen Wert nicht überschreiten
   dürfen. In der vorliegenden Schaltung können die Ströme durch
   geeignete Dimensionierung der Widerstände begrenzt werden.

2. Wenn eine der internen Verstärkerstufen in die Sättigung gerät,
   dauert es (vor allem bei Bipolartypen) nach dem Ende des
   Übersteuerungszustands etwas, bis der Opamp wieder zum normalen
   Betrieb zurückfindet.


Zu Frage 3:

Wenn der Ausgangspegel (wie in deiner Frage 2 angedeutet) bei +5V
Versorgungsspannung dicht an 0V und 5V heranreichen soll, brauchst du
eine Rail-to-Rail-Opamp.

Da du ihn zeitweise übersteuern möchtest, sollte er die maximale
Eingangsdifferenzspannung möglichst nicht einschränken (Punkt 1 meiner
vorigen Antwort). Angaben dazu findest du in den "Absolute Maximum
Ratings" im Datenblatt.

Außerdem sollte die Erholzeit nach Sättigung möglichst kurz sein.
Darüber findet man aber selten Angaben in den Datenbättern. Oft
verhalten sich CMOS-Typen diesbezüglich besser, ganz sicher ist man
aber meist erst nach einem Versuch.