Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik OPA und Mosfet gegengekoppelt


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von Dominic M. (dommii)


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Hallo Jungs,

eigentlich eine einfache Aufgabenstellung: Ich habe 2Vpp und brauche 
120Vpp bei 10Hz - 40kHz. Die zu treibende treibenden Last ist ziemlich 
kapazitiv und hat mindestens 2µF in Reihe zu ~10kOhm.

Da dachte ich an einen OPA an vorhandenen +-5V und einen Mosfet an (auch 
schon vorhandenen) +250V.

Das Problem: Das ganze soll so linear und verzerrungsfrei sein wie mit 
vertretbarem Aufwand nur irgendmöglich, also dachte ich das ich mir das 
Feedback am OPA direkt vom Ausgangssignal hinter dem 
Auskoppelkondensator der Sourceschaltung hole. Da habe ich aber einen 
absoluten Knoten im Kopf und wäre über ein kleines Prinzipschaltbild 
mehr als glücklich!

Danke schonmal im Vorraus und beste Grüße,

Dominic

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von Falk B. (falk)


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@Dominic Mähling (dommii)

>eigentlich eine einfache Aufgabenstellung: Ich habe 2Vpp und brauche
>120Vpp bei 10Hz - 40.000kHz.

Sind das 40 KOMMA Null kHz oder eher 40 MHz?

> Die zu treibende treibenden Last ist
>ziemlich kapazitiv und hat mindestens 2µF in Reihe zu ~10kOhm.

2uF haben bei 40 kHz ~2Ohm, die sind gegenüber den 10k vernachlässigbar. 
Dh.h deine Last wirkt nur bei sehr kleinen Frequenzen kapazitiv.


>Da dachte ich an einen OPA an vorhandenen +-5V und einen Mosfet an (auch
>schon vorhandenen) +250V.

Nö. Du brauchst eine klassische AB-Linearendstufe. Dazu gibt es diverse 
Schaltungen im Netz. Mit etwas Glück findet man auch einen integrierten 
Baustein, der die 60Vp schafft.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Standardbauelemente#Lineare_NF-Verst.C3.A4rker

Wenn man 2 Kanäle als Brückenverstärker benutzt und man die Last erdfrei 
anschließen kann, reichen ~ca. 30V+x als Versorgungsspannung. 2xTDA7294 
könnte funktionieren.

von Dominic M. (dommii)


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Die 40MHz habe ich korrigiert :D

Ein erdfreier Anschluss ist nicht möglich, und ich würde gerne mit den 
im Gerät vorhandenen Spannungen arbeiten. Weshalb ich bei der hohen 
Lastimpedanz aber mit TDAs oder gar diskreter Class AB arbeiten sollte 
erschleißt sich mir nicht so ganz, Class A mit Koppelkondensator dürfte 
es doch genauso tun. Oder irre ich da?

Trotzdem danke für den Beitrag :)

: Bearbeitet durch User
von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:

> eigentlich eine einfache Aufgabenstellung:

Das glauben nur Leute, die keine Ahnung haben :)
120V sind schon relativ viel in diesem Zusammenhang.

> Ich habe 2Vpp und brauche 120Vpp bei 10Hz - 40kHz.
> Die zu treibende treibenden Last ist ziemlich
> kapazitiv und hat mindestens 2µF in Reihe zu ~10kOhm.

Okay.

> Da dachte ich an einen OPA an vorhandenen +-5V und einen
> Mosfet an (auch schon vorhandenen) +250V.

Schlechte Kombination.

MOSFET bringt in diesem Fall (Linearbetrieb) meiner Meinung
nach keine Vor-, sondern nur Nachteile. Ich wuerde hier
bipolare Transistoren nehmen; OnSemi hat gute Teile.

+-5V fuer den Treiber ist ziemlich wenig.

> Das Problem: Das ganze soll so linear und verzerrungsfrei
> sein wie mit vertretbarem Aufwand nur irgendmöglich,

Zahlen!
Wieviel Aufwand ist vertretbar? Wieviel Verzerrung ist
zulaessig?

> also dachte ich das ich mir das Feedback am OPA

Feedback ist immer gut :)

> direkt vom Ausgangssignal hinter dem Auskoppelkondensator

Nee. Nie! Feedback VOR Koppelkondensator abnehmen.

> der Sourceschaltung hole.

Sourceschaltung bei I_out_peak = 6mA?!
Emitterstufe mit Gegenkopplung tut alles, was Du brauchst.

von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:

> Ein erdfreier Anschluss ist nicht möglich,

Hmm. Schade.

> und ich würde gerne mit den im Gerät vorhandenen
> Spannungen arbeiten.

Unguenstig. 180V waere einfacher.

Am allerbesten sind natuerlich +-80V. (Die wuerde ich
auch erstmal erzeugen aus den 250V, wenn es mein Projekt
waere.)

> Weshalb ich bei der hohen Lastimpedanz aber mit TDAs
> oder gar diskreter Class AB arbeiten sollte erschleißt
> sich mir nicht so ganz, Class A mit Koppelkondensator
> dürfte es doch genauso tun.

Aehh... ja... wenn Du das schon weisst, wo liegt dann
das Problem?

Die integrierte Kochplatte ist natuerlich gratis; Du
bezahlst den Strom ja vermutlich nicht :)

von Dominic M. (dommii)


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Possetitjel schrieb:

> Das glauben nur Leute, die keine Ahnung haben :)
> 120V sind schon relativ viel in diesem Zusammenhang.

Deshalb steht da "eigentlich". Das es doch nicht allzu einfach ist 
musste ich auch feststellen.. :D

> MOSFET bringt in diesem Fall (Linearbetrieb) meiner Meinung
> nach keine Vor-, sondern nur Nachteile. Ich wuerde hier
> bipolare Transistoren nehmen; OnSemi hat gute Teile.
>
> +-5V fuer den Treiber ist ziemlich wenig.

Ich dachte eigentlich (da ist wieder dieses böse Wort) das ich mit 
entsprechend hoher Gegenkopplung mit einem Mosfet die besten Chancen 
hätte, ich bin aber auch anderen Lösungsansätzen nicht abgeneigt. Die 
+-5V zu nehmen wäre natürlich hübsch weil schon vorhanden, zur Not 
kriege ich aber noch +-15 oä hin, da braucht es ja keinen Strom :)

> Zahlen!
> Wieviel Aufwand ist vertretbar? Wieviel Verzerrung ist
> zulaessig?

Ich würde erstmal kleiner 0,1% THD anpeilen. Um beim Aufwand in Geld zu 
sprechen, 50€ sollten nicht überschritten werden, genug Platz ist 
vorhanden und es sollten aber am besten keine großartigen 
toleranzbedingten Abstimmoperationen von Nöten sein.

> Nee. Nie! Feedback VOR Koppelkondensator abnehmen.

Hm, da hab ich wohl schon den ersten akuten Knoten, wenn ich das 
Feedbacksignal auf den Eingang des OPAs zurückschleife muss es doch 
DC-frei sein?

> Emitterstufe mit Gegenkopplung tut alles, was Du brauchst.

Sprich eine einfache Spannungsgegenkopplung des BiPos und den OPA 
einfach mit fixer Spannungsverstärkung davor?

von Dominic M. (dommii)


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Possetitjel schrieb:

> Unguenstig. 180V waere einfacher.
>
> Am allerbesten sind natuerlich +-80V. (Die wuerde ich
> auch erstmal erzeugen aus den 250V, wenn es mein Projekt
> waere.)

180V dürften per Z-Dioden stabilisiert kein Problem sein, aber wie 
willst du denn da -80V raus kriegen? Außerdem würde das ja wieder auf 
Bipolar-AB rauslaufen, was imho im Gegensatz zu einem Transistor doch 
arg viel Aufwand ist.


> Aehh... ja... wenn Du das schon weisst, wo liegt dann
> das Problem?
>
> Die integrierte Kochplatte ist natuerlich gratis; Du
> bezahlst den Strom ja vermutlich nicht :)

Wie du bei meiner nicht vorhandenen Scheu gegen Z-Dioden siehst ist das 
bisschen Abwärme kein Problem. Mein Fragezeichen hast du aber bestimmt 
nicht übersehen, ich weiß ja eben gerade nicht ob ich es mir damit nicht 
doch ein wenig einfach mache - meine Stärken liegen eher im Bereich 
Kleinsignal oder direkt zig kV mit ordentlich Brutzelfaktor :D

von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:

> Ich dachte eigentlich (da ist wieder dieses böse Wort) das
> ich mit entsprechend hoher Gegenkopplung mit einem Mosfet
> die besten Chancen hätte,

Beim FET musst Du nur daran denken, dass
1. nicht alle FETs fuer Linearbetrieb spezifiziert sind,
2. nicht alle OPVs die Gate-Kapazitaet am Ausgang moegen und
3. nicht alle FETs mit 2V am Gate zufrieden sind.

> ich bin aber auch anderen Lösungsansätzen nicht abgeneigt.

BiPos haben i.d.R. hoehere Steilheit; das hat zur Folge, dass
die Spannungsverstaerkung i.d.R. hoeher ist. Auszerdem sind sie
mit unter 1V an der Basis zufrieden.

Ich will darum aber keinen Glaubenskrieg anfangen; FET geht
sicherlich genauso.

> Ich würde erstmal kleiner 0,1% THD anpeilen. Um beim Aufwand
> in Geld zu sprechen, 50€ sollten nicht überschritten werden,

Okay... also doch schon relativ sportlich, das ganze.

> genug Platz ist vorhanden und es sollten aber am besten
> keine großartigen toleranzbedingten Abstimmoperationen von
> Nöten sein.

Gut. Spricht fuer OPV-Einsatz und starke Gegenkopplung.

>> Nee. Nie! Feedback VOR Koppelkondensator abnehmen.
>
> Hm, da hab ich wohl schon den ersten akuten Knoten, wenn ich
> das Feedbacksignal auf den Eingang des OPAs zurückschleife
> muss es doch DC-frei sein?

Nein, ueberhaupt nicht.

Wenn Du den Bezugspegel am anderen OPV-Eingang mit einem
passenden Offset versiehst, kannst Du den Ruhepegel am
Verstaerkerausgang (also am Transistor) beliebig einrichten.

DC-Kopplung ist kein Problem; ist nur bei der Auslegung mal
wilde Rechnerei, weil sich alles gegenseitig beeinflusst.

3V Offset am OPV und 20fache Gesamtverstaerkung gibt 60V
Ruhepegel am Kollektor.

>> Emitterstufe mit Gegenkopplung tut alles, was Du brauchst.
>
> Sprich eine einfache Spannungsgegenkopplung des BiPos und
> den OPA einfach mit fixer Spannungsverstärkung davor?

Vielleicht ein Missverstaendnis. Ich meinte: BiPo mit Emitter-
gegenkopplung, Feedback vom Kollektor (VOR dem Koppel-C, nicht
dahinter!) auf OPV-Eingang, also ueber-alles-Gegenkopplung,
d.h. Transistor in der Regelschleife.

von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:
> Possetitjel schrieb:
>
>> Unguenstig. 180V waere einfacher.
>>
>> Am allerbesten sind natuerlich +-80V. (Die wuerde ich
>> auch erstmal erzeugen aus den 250V, wenn es mein Projekt
>> waere.)
>
> 180V dürften per Z-Dioden stabilisiert kein Problem sein,
> aber wie willst du denn da -80V raus kriegen?

Nein... ich dachte an einen kleinen Schaltwandler.

> Außerdem würde das ja wieder auf Bipolar-AB rauslaufen,

Ja.

> was imho im Gegensatz zu einem Transistor doch arg viel
> Aufwand ist.

Mir war nicht gleich klar, dass Du den Bauteilaufwand gering
halten willst und Dich die Verlustleistung nicht stoert.

> Wie du bei meiner nicht vorhandenen Scheu gegen Z-Dioden
> siehst ist das bisschen Abwärme kein Problem.

:)

> Mein Fragezeichen hast du aber bestimmt nicht übersehen, ich
> weiß ja eben gerade nicht ob ich es mir damit nicht doch ein
> wenig einfach mache

Nein, eigentlich nicht.

Der Knackpunkt ist, dass Du einen geeigneten Leistungstransistor
auswaehlst und die Schaltung so dimensionierst, dass die SOAR
nicht ueberschritten wird.
Beim FET wirst Du das Problem bekommen, dass die 5V im Treiber
ziemlich wenig sind; beim BiPo musst Du zum Ausgleich auf den
zweiten Durchbruch aufpassen. Und in jedem Falle muss der
Kuehlkoerper grosz genug sein.

von Dominic M. (dommii)


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:)

Dann sind wir ja eigentlich voll auf einer Linie, an den DC-Offset schon 
vorm OPA habe ich nicht gedacht.

Wenn man nun mal einen NE5532 hernimmt komme ich mit +-15V problemlos 
auf rund 20Vpp an dessen Ausgang, sprich der wie auch immer geartete 
Transistor müsste nurnoch 6fach machen um auf 120Vpp zu kommen.

In meinem Kopf sähe das dann ungefähr so aus wie im Anhang, wobei im 
Falle eines FETs R3 wegfallen würde?

EDIT: Und natürlich fehlt noch ein Widerstand in der Feedbackleitung..

: Bearbeitet durch User
von ArnoR (Gast)


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Dominic M. schrieb:
> In meinem Kopf sähe das dann ungefähr so aus wie im Anhang

Geht nicht, weil der Transistor invertiert -> OPV-Eingänge tauschen. 
R3/R4 brauchst du nicht, das macht der OPV.

von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:

> Wenn man nun mal einen NE5532 hernimmt komme ich mit +-15V
> problemlos auf rund 20Vpp an dessen Ausgang, sprich der wie
> auch immer geartete Transistor müsste nurnoch 6fach machen
> um auf 120Vpp zu kommen.

Genau.

Die starke lokale Gegenkopplung bewirkt, dass schon der
Transistor allein nahezu nicht verzerrt. Die Gegenkopplung
ueber den OPV macht dann den Rest.

> In meinem Kopf sähe das dann ungefähr so aus wie im Anhang,
> wobei im Falle eines FETs R3 wegfallen würde?

Sender Jerewan: Im Prinzip ja, aber... :)

 - R3 und R4 kannst Du wahrscheinlich weglassen; den geringen
   Basisstrom liefert der OPV
 - der Transistor invertiert, d.h. die Gegenkopplung muss auf
   den PLUS-EINGANG (!) des OPV gehen
 - den fehlenden Widerstand in der Gegenkopplung hast Du selbst
   schon bemerkt
 - V1 gehoert nicht direkt an den OPV, sondern an das untere
   Ende von R1; wenn das untere Ende von R1 an -10V liegt,
   liegt am Plus-Eingang genau 0V, wenn am Transistor +60V
   liegen.

von Dominic M. (dommii)


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Also ich hätte das jetzt so gemacht wie im Anhang, bei einem 
Verstärkungsfaktor von 60 habe ich an V+ des OPAs +1,5V anliegen wenn 
der Kollektor bei 90V und damit halber Versorgungsspannung ist. Selbiger 
schwingt dann bei 1Vpp IN zwischen 30V und 150V.

Wenn das nun alles stimmt die Preisfrage: Welchen (wie auch immer 
gearteten) Transistor nimmt man dafür denn am besten? :D

von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:

> Wenn das nun alles stimmt die Preisfrage: Welchen (wie
> auch immer gearteten) Transistor nimmt man dafür denn
> am besten? :D

Ohne Ruecksicht auf Beschaffbarkeit: MJE15034

von ArnoR (Gast)


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Dominic M. schrieb:
> Welchen (wie auch immer
> gearteten) Transistor nimmt man dafür denn am besten?

BF458/9 bzw BF858/9 sollte auch gehen. Laut SOA-Diagramm sind etwas mehr 
als 4W (40mA) bei Uce=100V zulässig.

von Dominic M. (dommii)


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Dann sage ich euch mal danke für die schnelle Hilfe, die Simulation (mit 
wild gepicktem OPA und Transistor) tut schonmal was sie soll :) :) :)

Schönen Abend noch und beste Grüße,

Dominic

von ArnoR (Gast)


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In der Schaltung verstärkt der Transistor aber viel mehr als 6-fach, und 
auch mehr als die Dämpfung des Gegenkoppelteilers -> Überhöhung in 
Frequenzgang/Schwinggefahr. Mach mal eine AC-Analyse.

von Dominic M. (dommii)


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Das der Transistor deutlich mehr macht ist mir auch aufgefallen, aber 
die Gesamtverstärkung ist doch exakt 60fach?

Das das mit einem anderen Transistor komplett anders ausschauen wird ist 
ja auch klar, und da es den BF458 in LT nicht gibt wird es wohl auf 
messen hinauslaufen, die Simulation schmiert jedenfalls erst bei rund 
1MHz ein bisschen rum. :)

: Bearbeitet durch User
von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:

> Die Verstärkung ist doch exakt 60fach?

Die GESAMTverstaerkung, ja.

Der Transistor allein verstaerkt (theoretisch) Rc/Re = 100fach,
was aus mehreren Gruende Mist ist.

--> Re vergroeszern; 330 Ohm z.B.

Der OPV muesste bei Dir sogar daempfen, was er gar nicht
moegen wird.

von Possetitjel (Gast)


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ArnoR schrieb:

> Dominic M. schrieb:
>> Welchen (wie auch immer
>> gearteten) Transistor nimmt man dafür denn am besten?
>
> BF458/9 bzw BF858/9 sollte auch gehen. Laut SOA-Diagramm sind
> etwas mehr als 4W (40mA) bei Uce=100V zulässig.

Du hast vermutlich ein DaBla auf totem Baum; in den ekeltronischen
finde ich keine SOAR-Diagramme.

von Helmut S. (helmuts)


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> Die zu treibende treibenden Last ist ziemlich kapazitiv und hat mindestens 2µF 
in Reihe zu ~10kOhm.

2uF in Reihe mit 10kOhm sind im kHz-Bereich überhaupt nicht mehr 
kapazitiv sondern eine rein Ohmsche Last mit 10Kohm.

Hast du wirklich nur 10KOhm Last? Was für eine Last hängt da dran?
Hoffentlich kein PIEZO, denn der könnte wirklich 2uF Last haben.

: Bearbeitet durch User
von ArnoR (Gast)


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Possetitjel schrieb:
> Du hast vermutlich ein DaBla auf totem Baum

Genau :)

von Dominic M. (dommii)


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Beim rumprobieren mit +-5V am OP hab ich bei höherem Widerstand fiese 
Verzerrungen gekriegt - was im Nachhinein auch logisch ist - und ich war 
noch stolz auf meine +-5V -.-

Bei +25V und -5V schaut das direkt anders aus, höher als 200Ohm kann ich 
aber nicht gehen, sonst schneidet es die untere Halbwelle ab.

Die Last sind ein paar Röhren parallel. :)

: Bearbeitet durch User
von ArnoR (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Possetitjel schrieb:
>> Du hast vermutlich ein DaBla auf totem Baum
>
> Genau :)

Hier der Beweis.

von Helmut S. (helmuts)


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Slewrate = 2*pi*f*U^ = 2*pi*40000*60V/s = 15V/us

Mit ein bisschen Reserve sind wir dann bei 20V/us. Bei deinen 
Klirrfaktoranforderungen wird auch das noch nicht reichen.

Von Apex-Microtech gibt es fertige Verstärker für hohe 
Ausgangsspannungen  aber die sind nicht gerade billig.
Beispiel: PA441DW ca. 50€

Dann vielelicht doch lieber selber etwas bauen, wenn man Zeit hat.

von Possetitjel (Gast)


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Dominic M. schrieb:

> Beim rumprobieren mit +-5V am OP hab ich bei höherem
> Widerstand fiese Verzerrungen gekriegt - was im Nachhinein
> auch logisch ist - und ich war noch stolz auf meine +-5V -.-

Hihihi... :)

> Bei +25V und -5V schaut das direkt anders aus, höher als
> 200Ohm kann ich aber nicht gehen, sonst schneidet es die
> untere Halbwelle ab.

Vermutlich die Aussteuergrenze vom OPV.

Abhilfe: OPV nehmen, der mehr als 15V vertraegt, und +Ub
erhoehen. Alternativ Rc moderat vergroeszern (3k).

von Possetitjel (Gast)


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ArnoR schrieb:

> ArnoR schrieb:
>> Possetitjel schrieb:
>>> Du hast vermutlich ein DaBla auf totem Baum
>>
>> Genau :)
>
> Hier der Beweis.

Vielen Dank. - Das wird zwar verdammt knapp mit 90V / 2kOhm,
aber es sollte wohl funktionieren.

von ArnoR (Gast)


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Es geht auch mit +-5V am OPV. Klirrfaktor 0,01% bei 1kHz. Keine 
Überhöhung im Frequenzgang mit 0,2pF parasitärer Kapazität über Rf.

von Possetitjel (Gast)


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Possetitjel schrieb:
>> Bei +25V und -5V schaut das direkt anders aus, höher als
>> 200Ohm kann ich aber nicht gehen, sonst schneidet es die
>> untere Halbwelle ab.
>
> Vermutlich die Aussteuergrenze vom OPV.
>
> Abhilfe: OPV nehmen, der mehr als 15V vertraegt, und +Ub
> erhoehen. Alternativ Rc moderat vergroeszern (2.5k).

Mist - Nachtrag: Re begrenzt die Aussteuerung nach unten,
also ist es clever, den Ruhepunkt nicht auf 90V zu legen,
sondern etwas hoeher, vielleicht 95V oder 100V.

von ArnoR (Gast)


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Possetitjel schrieb:
> Das wird zwar verdammt knapp mit 90V / 2kOhm,

2k sind auch unnötig niederohmig, siehe vorherigen Post.

von Possetitjel (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Possetitjel schrieb:
>> Das wird zwar verdammt knapp mit 90V / 2kOhm,
>
> 2k sind auch unnötig niederohmig, siehe vorherigen Post.

Stimmt; hatte ich ja auch schon angemerkt. Auszerdem finde
ich Deinen Trick nett, Re gegen -5V arbeiten zu lassen
statt gegen GND, das bringt nochmal einige Volt fuer
den Ansteuerkreis.

von Dominic M. (dommii)


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Wow, danke für den ganzen Input! :)

Wenn man noch ein bisschen spinnt könnte man auch einen kleinen 
Emitterfolger als Treiber zwischenschalten und dann mehrere Transistoren 
parallel schalten, ich denke aber auch mit 3k komme ich wunderbar 
zurecht. Ich werde das Ganze dann einfach mal die Tage aufbauen und 
berichten..

von Dominic M. (dommii)


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Ich muss mich jetzt leider doch nochmal melden, und zwar mit eine 
absoluten Luxusproblem: Bei OPA habe ich mich mittlerweile auf den 1642 
eingeschossen,  der BF458 ist im Vergleich aber einfach viel zu billig 
als das ich den (ohne in Erklärungsnot vor den VooDoos zu kommen) da 
reindengeln könnte..

Also neue Preisfrage: Was gibt's denn so im HighEndSektor? 2-3€ wären 
mir der Dreibeiner schon wert :D

: Bearbeitet durch User

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