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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Über kleinere und größere Probleme mit Rail-to-Rail Operationsverstärkern


Autor: Luky S. (luky)
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Vor allem bei „modernen“ oder portablen Schaltungen mit möglichst geringen Versorgungsspannungen werden gerne Rail-to-Rail Operationsverstärker eingesetzt, um den Versorgungsspannungsbereich möglichst gut auszunutzen. Der Preis für die Rail-to-Rail Fähigkeit ist allerdings hoch – man kann sich damit allerhand Probleme einhandeln.

Zuallererst muss man sich klarmachen, dass die Ausgangsstufe niemals ganz den Wert der positiven bzw. negativen (wird sehr oft 0V, GND, Masse, … sein) Versorgungsschiene erreichen kann. Je nach Last (und Betriebstemperatur!) braucht auch ein Rail-to-Rail Operationsverstärker einen Spielraum von einigen wenigen mV bis hin zu ein paar 100 mV.



Besonders interessant ist das Verhalten, wenn der Ausgang über die zulässigen Grenzen betrieben wird, z.B. bei zu großer Verstärkung. Im Idealfall wird der Ausgang sanft in Sättigung gehen. Leider gibt es auch ICs, deren Ausgang bei Überschreiten einer gewissen Grenzspannung hart sättigt, also sprunghaft den Wert der positiven bzw. negativen Versorgungsspannung annimmt. Die Erholung aus diesem Zustand dauert im schlimmsten Fall auch eine gewisse Zeit und führt zu weiteren Signalverzerrungen. Besonders gemein ist, dass derselbe Operationsverstärker mal das eine und mal das andere Verhalten zeigen kann, abhängig von den Betriebsbedingungen.

Ein weiterer interessanter Effekt sind Verzerrungen durch die Eingangsstufe, bekannt als Input Crossover Distortion. Die Eingangsstufe der allermeisten Rail-to-Rail Operationsverstärker besteht, vereinfacht ausgedrückt, aus zwei Schaltungen, von denen die eine für den unteren und die andere für den oberen Eingangsspannungbereich zuständig ist. Daher gibt es zwangsläufig einen Übergangsbereich, in dem beide Schaltungsteile teilweise aktiv sind und es zu Verzerrungen kommt. Spezielle Typen (No oder Zero Crossover) haben dieses Problem nicht, aber die Hersteller lassen sich dieses Feature gut bezahlen und die Auswahl ist nicht besonders hoch.

Abschließend bleibt zu sagen, dass wenn sich der Einsatz eines Rail-to-Rail Operationsverstärker nicht vermeiden lässt, besondere Vorsicht geboten ist.


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Autor: Cab_leer (Gast)
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Was für ein oberflächlicher Artikel. Das Niveau dieser 'informativen' 
Beiträge sinkt immer weiter. Null nutzbarer Inhalt. Wie wäre es denn mal 
mit realen Beispielen aus den Datenblättern oder einem Oszillogramm. 
Oder Wenigstens einer Simulation. RRIO ist tatsächlich ein wichtiges 
Thema. Aber es in dieser Form abzuhandeln ist doch eher ein schlechter 
Scherz

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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Ich mag den LM358 und auch den MAX4412 (R2R-Outputs), die können auch 
noch unter 0V messen, das ist ganz nett bei der Strommessung meiner 
gesamten Schaltung. Der Nutzer will ja wissen was sein Gerät aktuell so 
verbraucht.

Schöner Beitrag Luky.

Autor: Schreiber (Gast)
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Cab_leer schrieb:
> Was für ein oberflächlicher Artikel. Das Niveau dieser 'informativen'
> Beiträge sinkt immer weiter. Null nutzbarer Inhalt.

Der Profi weiß es, dem Hobbybastler erspart es viele wüste Flüche.

Autor: Stefan Schmidt (chiefeinherjar)
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Naja... Die einzige Aussage ist doch, dass es nicht DEN OPV gibt, der 
alles kann und 10ct kostet. Sprich man muss eben wissen, was man braucht 
bzw wo man Kompromisse machen kann und muss - gilt das nicht überall im 
Leben? Und sollte das dann nicht auch ein Bastler wissen?

Autor: MaWin (Gast)
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Luky S. schrieb:
> Leider gibt es auch ICs, deren Ausgang bei Überschreiten einer gewissen
> Grenzspannung hart sättigt, also sprunghaft den Wert der positiven bzw.
> negativen Versorgungsspannung annimmt

Echt ? Welche sind dss denn, und wie sieht das Experiment aus bzw. steht 
es im Datenlatt ?

Autor: Mike J. (linuxmint_user)
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MaWin schrieb:
> Luky S. schrieb:
>> Leider gibt es auch ICs, deren Ausgang bei Überschreiten einer gewissen
>> Grenzspannung hart sättigt,

Da werde wohl noch andere Effekte wirken.
Der MAX4412 will eine Differenz von maximal 2.5V an den Eingängen sehen, 
bei einer Überschreitung der Differenz wird er sich auch unvorhergesehen 
verhalten.
Durch den hohen Strom in die Eingänge darf man ihn auch nicht so 
hochohmig anschließen um kein künstliches Offset zu erzeugen. Ein Haufen 
kleiner Dinge die man wissen muss damit es funktioniert.
Es gibt genügend ET-Masterstudenten die nur mit einem idealen OpAmp 
gerechnet haben.

Autor: Stefan Us (stefanus)
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Ich finde den Artikel hilfreich, denn er liefert mir schnell gleich zwei 
Gründe, daß und warum die herkömmlichen OP-Amps noch nicht ausgedient 
haben.

Über Details kann man sich ja anhand der Datenblätter informieren. So 
habe auch jeden Fall schonmal im Kopf, worauf ich achten sollte.

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Stefan U. schrieb:
> Ich finde den Artikel hilfreich, denn er liefert mir schnell gleich zwei
> Gründe, daß und warum die herkömmlichen OP-Amps noch nicht ausgedient
> haben.
>
Eigentlich wurde nichts Neues erzählt.

> Über Details kann man sich ja anhand der Datenblätter informieren. So
> habe auch jeden Fall schonmal im Kopf, worauf ich achten sollte.

Wer die Welt ohne rail2rail noch kennt, der liest die Datenblätter immer 
sorgfältig und achtet auf die entsprechenden Parameter. Eigentlich auch 
nichts Neues.
mfg Klaus

Beitrag #5131790 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Jeder LM358 verdient einen Artikel 'Über die grossen Probleme beim 
LM358', ein Bauteil, das einem Rail-To-Rail Opamp haushoch unterlegen 
ist und sich trotzdem hartnäckig in den Verkaufslisten und Bastelkisten 
hält. Phase Reversal kommt bei sehr, sehr vielen Opamps vor und es ist 
keine neue Erkenntnis, das Überschreiten der Absolute Maximum Ratings 
oder den empfohlenen Betriebsparametern zu einer Verringerung der 
Performance führt.
Das gilt übrigens für alle Bauteile. R2R Opamps jedenfalls nähern sich 
dem idealen Opamp weiter, als das jeder 741, TL071 oder LM358 je könnte.

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Autor: Herr Barium (herr_barium)
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Matthias S. schrieb:
> R2R Opamps jedenfalls nähern sich
> dem idealen Opamp weiter, als das jeder 741, TL071 oder LM358 je könnte.

Das ist in 1. Näherung vollkommen richtig.

Autor: Stefan Us (stefanus)
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> Eigentlich wurde nichts Neues erzählt.

Ja warscheinlich. Ist ja auch keine Doktorarbeit.

Autor: A. K. (prx)
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Klaus R. schrieb:
> Eigentlich wurde nichts Neues erzählt.

Das hängt nicht nur vom Artikel, sondern auch vom Leser ab.

Beitrag #5132478 wurde von einem Moderator gelöscht.
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Beitrag #5132486 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5132499 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Michael Bertrandt (laberkopp)
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Matthias S. schrieb:
> Jeder LM358 verdient einen Artikel 'Über die grossen Probleme beim
> LM358', ein Bauteil, das einem Rail-To-Rail Opamp haushoch unterlegen
> ist und sich trotzdem hartnäckig in den Verkaufslisten und Bastelkisten
> hält.

Na ja, welche R2R verträgt es, eine Eingangsspannung (bis 32V) an den 
Eingängen zu haben, wenn die Versorgung geringer ist oder ausfällt, ohne 
Strom von den Eingängen an die Ausgänge abzuleiten ?

Beitrag #5132509 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5132518 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5132528 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5132536 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5132560 wurde von einem Moderator gelöscht.
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Beitrag #5132570 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5132573 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Daniel (Gast)
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Der Artikel ist aber doch wirklich Mist.
"Abschließend bleibt zu sagen, dass wenn sich der Einsatz eines 
Rail-to-Rail Operationsverstärker nicht vermeiden lässt, besondere 
Vorsicht geboten ist."
-- Wenn es sich nicht vermeiden lässt, die Straße zu überqueren, ist 
ebenfalls besondere Vorsicht geboten.

Und setzt man keinen R2R-OP ein, ist auch besondere Vorsicht 
geboten, sonst kommt es bei Übersteuerung zur Phasenumkehr!:
https://electronics.stackexchange.com/a/234579

Autor: Moin (Gast)
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Könntet ihr vielleicht einige R2R OPVs nennen, die zu den Guten ihrer 
Zunft gehören. Mit einer solchen Starthilfe könnte man dann für sein 
jeweiliges Projekt schneller den Wunsch-OPV finden.
Die Angabe von eher zickigen OPVs wäre aber auch schon hilfreich.

Autor: Bernhard (Gast)
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Michael B. schrieb:
>
> Na ja, welche R2R verträgt es, eine Eingangsspannung (bis 32V) an den
> Eingängen zu haben, wenn die Versorgung geringer ist oder ausfällt, ohne
> Strom von den Eingängen an die Ausgänge abzuleiten ?

LT1636 zum Beispiel.
Geniales Teil. Bis zu 40V über Versorgung mit nur 3V Versorgunsspannung.

Autor: Thomas O. (kosmos)
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Michael B. schrieb:
> Na ja, welche R2R verträgt es, eine Eingangsspannung (bis 32V) an den
> Eingängen zu haben, wenn die Versorgung geringer ist oder ausfällt, ohne
> Strom von den Eingängen an die Ausgänge abzuleiten ?

Ich dachte immer das OP Amp Eingänge hochohmig sind. Deswegen frage ich 
mich ob das stimmt.

Autor: Clemens L. (c_l)
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Thomas O. schrieb:
> Michael B. schrieb:
>> welche R2R verträgt es, eine Eingangsspannung (bis 32V) an den Eingängen
>
> Ich dachte immer das OP Amp Eingänge hochohmig sind.

Nachdem die Hochspannung sich einen Weg durch die Isolierung gebrannt 
hat, ist der rauchende Rest nicht immer hochohmig. (Bei sehr kleinen 
Strukturen genügt schon eine relativ kleine Spannung, um eine starkes 
elektrisches Feld aufzubauen; TI nennt 350 kV/cm als Grenze.)

>> wenn die Versorgung geringer ist oder ausfällt

Eine ESD-Schutz-Diode von einem Eingang zu VCC wird bei VCC=0 zu einer 
Diode vom Eingang zu GND.

: Bearbeitet durch User
Autor: Michael Bertrandt (laberkopp)
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Thomas O. schrieb:
> Ich dachte immer das OP Amp Eingänge hochohmig sind. Deswegen frage ich
> mich ob das stimmt.

Na ja, irgendwann kommt die Eingangsschutzdiode oder 
Rückwärts-Leitfähigkeit der BE-Strecke eines Bipolartransistors 
dazwischen.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Moin schrieb:
> Könntet ihr vielleicht einige R2R OPVs nennen, die zu den Guten ihrer
> Zunft gehören.

Sehr preiswert sind ICL7611-ICL7621. Sehr geringer Ruhestrom und sehr 
niedrige Versorgungsspannung möglich.
ICL7616 gibts gerade als Schnäppchen:
https://www.pollin.de/p/icl7616dcpa-101038

AD822 ist rauscharm und läuft bis 30V Vcc, 1,8Mhz GBW, kein Phase 
Reversal.

Autor: Gerhard (Gast)
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Vielleicht hilft ja dieser Artikel weiter:

http://oliverbetz.de/rropv.htm

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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Gerhard schrieb:
> Vielleicht hilft ja dieser Artikel weiter:
>
> http://oliverbetz.de/rropv.htm

Ist allerdings von 2002 und anscheinend nie aktualisiert. Da hat sich in 
der Zwischenzeit doch deutlich was getan. Als Beispiel:
Beitrag "Neue Low-Power Op-Amps von Maxim, LT und ST"

Autor: F. Fo (foldi)
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Schreiber schrieb:
> Der Profi weiß es, dem Hobbybastler erspart es viele wüste Flüche.

Na ja, der Hobbybastler kauft sich am besten ein Buch und einig OpAmps 
und probiert erstmal alle Grundschaltungen aus, fängt dann an für den 
konkreten Einsatz zu planen und schafft sich einige Wald-und-Wiesen 
OpAmps an, vergleicht dieses mit seinen speziellen, die er für seine 
Anwendung raus gesucht hat. Er verbringt dann am besten Stunden vor dem 
Oszi und schaut, wie sich seine Schaltung mit dem einen oder anderen 
OpAmp verhält.
Wenn er das alles getan hat, dann vergleicht er das mit Ltspice und 
sieht, dass die Simulation schon sehr nahe kommt, aber eben nicht die 
Wirklichkeit ist.

Ich finde die meisten Leute wollen heute alles zu schnell. Als ich mich 
anfing mit OpAmps zu beschäftigen, habe ich einige Wochen damit 
verbracht, das gelesene in Schaltungen zu sehen und zu verstehen.

Auch wenn es dabei nicht geraucht hat (die ganze Zeit eigentlich nur 
äußerst selten), so kann Rauch sehr lehrreich sein.

Autor: Peter Dannegger (peda)
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Ein wichtige Angabe ist auch, ob es zu einer Phasenumkehr bei 
Übersteuerung kommt. Für einen Regelkreis ist sowas ganz schlecht. 
Einmal aus dem Gleichgewicht gekommen, klemmt er sich am oberen oder 
unteren Ende fest, da ja aus der Gegenkopplung nun eine Mitkopplung 
geworden ist.
Ein Vertreter mit dieser negativen Eigenschaft ist z.B. der TS922. 
Natürlich schreibt man sowas nicht ins Datenblatt, man verschweigt es 
einfach.

Will man keine Phasendrehung, muß man einen OPV suchen, wo das explizit 
drinsteht. Z.B. beim MC33202:
"No Phase Reversal on the Output for Over–driven Input Signals".

Ich hatte mal Lieferprobleme mit dem MC33202 und der Bestücker fragte, 
ob er den TS922 nehmen könnte. Ich sagte ja. Mit dem Resultat, daß keine 
Platine funktionierte und alle OPVs gewechselt werden mußten.

Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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F. F. schrieb:
> Als ich mich
> anfing mit OpAmps zu beschäftigen, habe ich einige Wochen damit
> verbracht, das gelesene in Schaltungen zu sehen und zu verstehen.

Versuche mit OpAmps sind für mich eine der wenigen Gründe, mal ein 
Steckbrett zu verwenden - ich mach sonst gleich eine Fädelschaltung. 
Aber mit den R2R OpAmps und ein paar Präzisions 10-Gang Potis kann man 
viele tolle Schaltungen und deren Dimensionierung ganz leicht 
ausprobieren, dank der nahezu idealen Eigenschaften der Dinger.
Anbei 2 Beispiele für 4-20mA Stromschleifen. Das eine ist ein 0-5V auf 
4-20mA Konverter und das andere ein 2-Draht Temperatursensor.

Autor: F. Fo (foldi)
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Erst richtig interessant wurde es, als ich zwei Versorgungsspannungen 
benutzte und dann einen Funktionsgenerator angeschafft hatte.
Vielleicht erinnerst du dich noch an meine Durchsageanlage fürs 
Behindertenfahrzeug?

Leider ist das alles etwas verschüttet, in meinem Kopf und ich kann das 
nur noch einigermaßen bei einer konkreten Problemstellung abrufen.
Matthias, an dein Niveau komme ich aber auch nicht mehr mit voll 
funktionsfähigem Kopf ran.
Du stehst eh ganz oben auf meiner Heldenliste.
Bei dir lese ich immer wieder, so ganz nebenbei, aha, das hat er also 
auch noch gemacht.

Ich krebs dann eher so rum und bin froh dich (und einige andere) ab und 
zu mal was fragen zu dürfen.
Aber je mehr ich lerne, desto dümmer fühle ich mich, weil ich dann immer 
erst merke wie viel mir noch an Wissen fehlt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)
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F. F. schrieb:
> Vielleicht erinnerst du dich noch an meine Durchsageanlage fürs
> Behindertenfahrzeug?

Klar - ich hoffe, das spielt jetzt alles so wie gewünscht.

> das hat er also
> auch noch gemacht.
Ich kenne zu viel Verrückte :-) Die obigen Schaltungen habe ich für 
einen Bekannten entwickelt, der sein Boot ausschliesslich mit alten 
4-20mA Instrumenten ausrüstet, weil er die säckeweise hat. Das ganze 
Cockpit soll so aussehen wie seine alte Kraftwerkszentrale...

Autor: F. Fo (foldi)
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Matthias S. schrieb:
> Klar - ich hoffe, das spielt jetzt alles so wie gewünscht.

Hatte es, leider ist die Mutter (nicht meine!) verstorben.

Matthias S. schrieb:
> Ich kenne zu viel Verrückte :-)

Das lernt und übt ganz sicher auch. 😂

Autor: toulsctroy (Gast)
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Es gibt auch gute Literatur zu diesem Thema:

http://www.ti.com/lit/sg/slyt701/slyt701.pdf

Autor: Jens Grabner (jensg)
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Es gibt Hersteller die weisen extra auf eine Verbesserung hin. Das nennt 
sich "Latch-up immunity"
http://www.st.com/en/amplifiers-and-comparators/tsv912.html

Den TSV912 gibt es auch von TI.

Autor: max (Gast)
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Was haltet ihr denn vom OPA350 von Texas Instruments? Der ist Rail to 
Rail und sieht mir ganz gut aus, kennt den einer? Kann ihn einer 
beurteilen?

Autor: Jens G. (jensig)
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>Es gibt Hersteller die weisen extra auf eine Verbesserung hin. Das nennt
>sich "Latch-up immunity"
>http://www.st.com/en/amplifiers-and-comparators/tsv912.html

Steht auch im DB des weiter oben erwähnten TS922 ...

Autor: Jens G. (jensig)
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>Was haltet ihr denn vom OPA350 von Texas Instruments? Der ist Rail to

Wenn dir die max. 7V als Betriebsspannung ausreichen, dann ist er 
sicherlich schon ganz gut.

Autor: max (Gast)
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Ist halt für Batteriebetrieb. Hast du Praxiserfahrungen mit dem? 
Irgendwelche fiesen Besonderheiten? Das crossover-distortion Verhalten 
scheint mir laut Datenblatt nicht allzustark ausgeprägt zu sein, aber da 
fehlen mir Vergleich und Erfahrung um das wirklich zu beurteilen.

Autor: max (Gast)
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>Die Erholung aus diesem Zustand dauert im schlimmsten Fall auch eine gewisse Zeit 
und führt zu weiteren Signalverzerrungen.

Heißt: Overload recovery time in Datenblättern. Es hilft doch immer, 
wenn man die richtigen Begriffe kennt!
Im Falle des OPA 350 z.B. 0.1 us. von diesem relativ schnellen Hirsch 
erwarte ich auch nix anderes.

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