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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik TIA mit 'non-unity gain stable' Operationsverstärker


Autor: Simon (Gast)
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hi!

nachdem ihr mir die Tage super geholfen habt, möchte ich direkt noch 
eine Frage stellen. Es gibt keinen konkreten Anlass, ich arbeite mit zur 
Zeit nur in die Operationsverstärker Thematik und und obwohl ich langsam 
immer mehr verstehe, hakt es zwangsläufig hin und wieder.

Ein OP der nicht so kompensiert ist, dass er 'unity-gain stable' ist 
kommt ja häufig vor. Ich kann mir das bei einem Spannungsverstärker auch 
ganz gut vorstellen, ich frage mich aber ob ich bei einem 
Transimpedanzvertärker mit so einem Teil das bemerke. Lässt sich das 
irgendiwe beschreiben oder benennen?
Irgendwie muss ich einem TIA ja ohnehin eine Nullstelle spendieren wegen 
des riesigen Widerstandes in der Rückkopplung. Würde sich das anders 
verhalten wenn der OP nicht A=1 kompensiert ist?

Ihr könnt gerne in euren Worten etwas dazu sagen, das erzeugt ja 
manchmal am ehesten Geistesblitze im Gegensatz zu den gleichen Zitaten.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Ein TIA ist im Prinzip ein auf Verstärkung 1 rückgekoppelter Verstärker. 
Deshalb nimmt man dafür einen x1 stabilen Opamp.

Autor: Simon (Gast)
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Hi,

Ich habe angefangen darüber nachzudenken, weil ich im Datenblatt zu dem 
opa846 gesehen habe, dass der speziell als Transimpedanzverstärker 
empfolen wird. http://www.ti.com/lit/ds/sbos250e/sbos250e.pdf
Auf der ersten Seite direkt ist auch einer abgebildet. Dass der 100% 
gegengekoppelt ist leuchtet ein, aber wie deckt sich eine 
Anwendungsempfehlung damit, dass man das gar nicht damit macht?
Er soll stabil für G > 7 sein.

Bin deswegen echt ziemlich verwirrt.

Autor: ArnoR (Gast)
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Simon schrieb:
> Auf der ersten Seite direkt ist auch einer abgebildet. Dass der 100%
> gegengekoppelt ist leuchtet ein, aber wie deckt sich eine
> Anwendungsempfehlung damit, dass man das gar nicht damit macht?
> Er soll stabil für G > 7 sein.

Der ist aber nur für niedrige Frequenzen (dort, wo die Kapazitäten nicht 
wirken) 100% gegengekoppelt. Bei hohen Frequenzen (dort, wo die interne 
Phasendrehung Probleme macht) ist die Verstärkung durch das 
Kapazitätsverhältnis Cd/Cf bestimmt.

Autor: Steffen (Gast)
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Helmut S. schrieb:
> Deshalb nimmt man dafür einen x1 stabilen Opamp

Nein. Für einen TIA braucht es keinen OPamp der unity gain stable ist

Autor: Possetitjel (Gast)
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Steffen schrieb:

> Helmut S. schrieb:
>> Deshalb nimmt man dafür einen x1 stabilen Opamp
>
> Nein.

Doch. Der Einfachheit halber nimmt man häufig einen
einsstabilen OPV, wenn nix dagegenspricht.

Brett... dünnste Stelle und so...

> Für einen TIA braucht es keinen OPamp der unity
> gain stable ist

Man braucht nicht zwingend einen - das ist richtig.

Man muss dann nur einen der vielen Tricks anwenden,
um die Schwingneigung zu unterdrücken.

Autor: Steffen (Gast)
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Possetitjel schrieb:
> Man muss dann nur einen der vielen Tricks anwenden,
> um die Schwingneigung zu unterdrücken.

Naja, was heißt Tricks? Man guckt sich die Loop-Gain an und schaut ob es 
stabil ist.

Das einfachste ist sich die Loop Gain in ein Bodediagramm reinzumalen. 
Dann klappt man das nach oben und legt den Amplitudengang des OP darüber 
(man kann sich die Loop Gain auch gleich in das Datenblatt des OP 
malen).

Jetzt schaut man sich an wo die Beiden (Loop Gain und OP) sich schneiden 
und wie die Amplitudengänge aufeinandertreffen. Laufen da zB 20dB/Dek 
Steigung in einen flachen Bereich der Loop Gain, dann ist alles gut (90° 
Phase). Schneiden die sich aber mit 40dB/Dek (zB einer läuft mit 
20dB/Dek rauf der andere runter), dann hat man da natürlich 180° und es 
schwingt.

Dazu braucht man sich nur die Eckfrequenzen ausrechnen und der Rest ist 
malen und gucken.

Autor: Steffen (Gast)
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PS: Zur Verdeutlichung kannst Du Dir dass auch einfach mal für ein 
Feedback Netzwerk hinmalen, dass rein ohmsch ist. Das in den 
Amplitudengang des OP und dann siehst Du auch, dass es erst dann böse 
ist, wenn die sich mit mehr als 20dB/Dek schneiden. Und dass passiert zB 
wenn ein durch dein Loopback so klein ist, dass der Schnittpunkt da 
liegt wo der OP seinen zweiten Knick hat und mit 40dB/dek weiterläuft.

Einen Unity Gain stable OP Amp zu nehmen heißt übrigens auch genau aus 
diesen Gründen nicht, dass ein TIA damit dann stabil wird. Das musst Du 
Dir so oder so ansehen.

Wenn man sich einfach vor Augen hält, dass eine OP Schaltung folgender 
Gleichung gehorcht:

U_aus = U_ein * A(w) / (1+ A(w) * B(w))

Wobei A(w) die Übertragungsfunktion deines OP ist und B(w) die 
Übertragungsfunktion der Rückkopplung. Wenn das Produkt aus denen -1 
wird, dann ist das hässlich in so einem Bruch. Und das passiert halt 
genau dann, wenn die sich schneiden (einer von beiden dabei invertiert 
d.h. 0dB = 1) und wenn bei diesem Schnitt dann noch 180° Phase 
dazukommen, dann hat man die nicht gewollte -1.

Autor: Possetitjel (Gast)
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Steffen schrieb:

> Possetitjel schrieb:
>> Man muss dann nur einen der vielen Tricks anwenden,
>> um die Schwingneigung zu unterdrücken.
>
> Naja, was heißt Tricks?

Naja, eben: Tricks.

> Man guckt sich die Loop-Gain an und schaut ob es
> stabil ist.

Das kann ich von hier aus sagen: Ein TIA mit rein
ohmscher Rückkopplung und nicht-eins-stabilem OPV
schwingt bei offenem Eingang.

Genau mit diesem Fall (offener Eingang) muss man bei
unbekannter und/oder stark schwankender Quellimpedanz
immer rechnen.

Deswegen nimmt man für TIAs entweder einen eins-stabilen
OPV, oder man muss die Schaltung durch zusätzliche
Maßnahmen ("Trick") stabilisieren. (Da gibt es mindestens
zwei unterschiedliche Methoden.)

Eine Ausnahme ist nur der Fall, dass man die maximale
Quellimpedanz sicher kennt - aber das ist in meinen
Anwendungen noch nie aufgetreten.

Autor: Steffen (Gast)
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Es kommt ja immer darauf an was offen heißt. Bei den TIAs die ich bisher 
gebaut habe reichte die Kapazität des offenen Eingangs aus um den 
Verstärker stabil zu halten.

Und rein ohmsche Rückkopplung gibt es ja auch nicht. Der Widerstand hat 
ja immer etwas parallel. Aber klar, wenn das im Verhältnis zum R so 
klein ist, dass es weit außerhalb des interessanten Frequenzbereichs 
liegt, dann stimmt es natürlich.

Worauf ich nur hinauswollte ist: Ein unity gain stable OP rettet dich 
nicht automatisch, auch nicht bei offenem Eingang. Sobald man da 1G oder 
so in der Rückkopplung hat gibt es eh nichts rein ohmsches mehr. Zudem 
hat man IMMER eine Eingangskapzität usw. Allein die SO-8 Beinchen haben 
schon ein paar pF zueinander.


Aber wenn der TO sich das mal ansieht, dann begreift er vielleicht auch, 
warum der Verstärker mehr rauscht, wenn man ein Kabel zwischen 
Stromquelle und Verstärker macht (also ein längeres als vorher).

Autor: Possetitjel (Gast)
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Steffen schrieb:

> Worauf ich nur hinauswollte ist: Ein unity gain stable OP
> rettet dich nicht automatisch, auch nicht bei offenem
> Eingang.

Okay... das mag sein. - Die Umkehrung gilt aber genauso:
Ein OPV, der nicht unity gain stable ist, ist häufig für
vielerlei Ärger gut.

Die Frage des TO war ja, ob es für einen TIA wichtig ist,
dass der OPV nur teilkompensiert ist. Die Antwort ist
i.d.R. "ja".

> Sobald man da 1G oder so in der Rückkopplung hat gibt
> es eh nichts rein ohmsches mehr.

Naja, man hat halt nicht immer so extreme Verhältnisse.

Ich habe mich bisher nur im µA-Bereich bewegt; dort ist
das mit den parasitären Kapazitäten noch recht entspannt.

Nachrechnen muss man trotzdem, denn große Kapazitäten
als Quellen (...100nF) können schon bei mäßigen Frequenzen
(kHz) für vielerlei Spaß sorgen...

Autor: Simon (Gast)
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Spannend. Keine Ahnung ob das jetzt das richtige Wort ist. ;-)
Bin auch ein wenig raus im Moment. Muss ich erst aufarbeiten.
Also ist das Ende vom Lied, dass ich bemerke würde, dass das ganze 
stabil arbeitet, wenn Cf größer wird, als es die Formeln zum Abschätzen 
angeben? Geht auch in Richtung von ArnoR's Post. Wegen dem kapazitiven 
Spannungsteiler.

Autor: Possetitjel (Gast)
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Simon schrieb:

> Also ist das Ende vom Lied, dass ich bemerke würde, dass
> das ganze stabil arbeitet, wenn Cf größer wird, als es
> die Formeln zum Abschätzen angeben?

Nee. Kleiner. Meiner Meinung nach.

> Geht auch in Richtung von ArnoR's Post. Wegen dem kapazitiven
> Spannungsteiler.

Ja, schon richtig: Die Rückkopplung bildet mit der Sperrschicht-
kapazität der Photodiode eine (komplexen) Spannungsteiler. Das
Teilerverhältnis muss mindestens 1:7 betragen, damit nie zuviel
Signal vom Ausgang auf den Eingang kommen kann, sonst schwingt
es.

Autor: Steffen (Gast)
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Possetitjel schrieb:
> Okay... das mag sein. - Die Umkehrung gilt aber genauso:
> Ein OPV, der nicht unity gain stable ist, ist häufig für
> vielerlei Ärger gut.

Ja, ok einigen wir uns darauf. Ein Pol mehr macht natürlich immer mehr 
Ärger als wenn da keiner ist :)


Simon schrieb:
> Also ist das Ende vom Lied, dass ich bemerke würde, dass das ganze
> stabil arbeitet, wenn Cf größer wird, als es die Formeln zum Abschätzen
> angeben?

Naja, das ist beim TIA halt gefährlich. Einfach nur Cf größer machen 
heißt nicht zwingend das es stabil wird. Normal hast Du in Deiner 
Rückkopplung ja zwei Pole. Dazwischen läuft es mit 20db/Dek. Wenn Cf nun 
erstmal so war, das du hinter dem zweiten Pol liegst (da wo das 
Rückkoppelnetz wieder flach wird) dann kannst Du mit einem größeren C 
das ganze so verschieben, dass du in den Bereich kommst in dem es nicht 
mehr stabil ist. Dann kann man Cf solange erhöhen bis Du wieder vor dem 
ersten Pol bist, aber dann ist Deine Bandbreite auch weg.
Deshalb würde ich immer gucken beim TIA.


Simon schrieb:
> Geht auch in Richtung von ArnoR's Post. Wegen dem kapazitiven
> Spannungsteiler.

Ja, ab einer gewissen Frequenz spielen dann irgendwann nur noch die 
Rückkoppelkapazität und die Eingangskapazität eine Rolle. Wenn Du Dir 
das mal hinmalst, dann sieht es auch aus wie ein invertierender 
Verstärker. Dieser "Verstärker" ist es auch, der das Rauschen am Ende 
bestimmt. (Darum das Beispiel mit dem Kabel).
Ein Kabel anzustecken kann den Verstärker dann ggf. wieder 
stabilisieren. Aber das Rauschen wird größer. Beim TIA ist ganz 
interessant, dass die Verstärkung des Rauschens nicht direkt aus der 
Stromverstärkung abzuleiten ist. An der Stromverstärkung ändert eine 
Vergrößerung der Eingangskapazität ja nichts, am Rauschen aber schon.

Autor: Steffen (Gast)
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Anbei mal was zum Angucken. ggf. versteht man dann leichter was ich 
meine.

Grün der Amplitudengang des OP wie er auch im Datenblatt zu finden ist. 
Pink (oder was auch immer das ist) der umgedrehte Amplitudengang der 
Rückkopplung. So wie es dargestellt ist wäre es also stabil. Man kann 
sich auch leicht vorstellen, dass es egal wäre, wenn der OP einen Pol 
unterhalb des pinken Verlaufs hätte. Das heißt wenn der erst ab ca. 20dB 
stabil wäre, dann wäre das in Ordnung (nur wenn die 100pF am Eingang 
bleiben!).

Das Ding ist solange stabil wie die grüne fallende Kurve nicht in die 
pinke Steigung geht. Vor und hinter der pinken Steigung ist alles gut.

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