Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LM324 wirklich nur 5mV am unteren rail?


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von OP Neuling (Gast)


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Hallo,

ich will eine DAC Spannung von 0 bis 2.5V aus einem Mikrocontroller 
kommend auf 0-10V verstärken. Habe leider nur 12V single supply zur 
Verfügung. Auf der Suche nach einem passenden Rail-to-Rail OPV hab ich 
gesehen das der LM324 laut Datenblatt bei einer Last von 10kOhm bis 5mV 
an das untere Ende kommt. Nach oben hin habe ich ja 2V "Luft" so das es 
da keine Probleme geben sollte.
Irgendwas das gegen den LM324 als DAC Buffer/Verstärker spricht? Andere 
(modernere OPV) Vorschläge mit ähnlichem Rail-to-Rail Ausgangsbereich 
sind gerne willkomen, es geht mir dabei vor allem um das untere Ende. 
Danke!

von Der Andere (Gast)


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Kauf dir einen DC/DC Wander mit 12V/-5mV

SCNR

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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OP Neuling schrieb:
> Auf der Suche nach einem passenden Rail-to-Rail OPV hab ich gesehen das
> der LM324 laut Datenblatt bei einer Last von 10kOhm bis 5mV an das
> untere Ende kommt.
1. es sind maximal 20mV
2. er kommt nicht "bei einer Last" sondern nur "wegen dieser Last" ans 
untere Ende. Ohne den Widerstand schafft er das nicht. Wenn das mit den 
5mV nicht nur ein Wunsch, sondern ein "Muss" ist, dann solltest du den 
Widerstand wie im Datenblatt beschrieben noch niederohmiger machen...

: Bearbeitet durch Moderator
von soso... (Gast)


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OP Neuling schrieb:
> Irgendwas das gegen den LM324 als DAC Buffer/Verstärker spricht? Andere
> (modernere OPV) Vorschläge mit ähnlichem Rail-to-Rail Ausgangsbereich
> sind gerne willkomen, es geht mir dabei vor allem um das untere Ende.
> Danke!

Du hast ein "headroom" Problem.

Bedenke bei deiner Sache folgendes:
Wenn ein Teil (was auch immer!) Strom gegen GND ableiten muss, hat es 
immer einen Spannungsabfall.
Wenn du 1mA ableiten musst, und das Teil muss aber 1mV liefern, braucht 
es eine Ausgangsstufe mit 200mOhm. Das ist für einen OPV verdammt wenig.

Darum ist 0V bei einer positiven Versorgungsspannung technisch nicht 
wirklich möglich, wenn ein Strom fließen soll.

Kein Rail2Rail-OPV kann aus diesem Grund echte 0V liefern und Strom 
führen. Das steht im Datenblatt unter "output headroom".

Was du tun musst: Deinem Design einen Offest von GND weg geben. Ich 
nehme oft 300mV, das ist ein Bereich, ab dem man damit rechnen kann, 
dass man ordentlich arbeiten kann.
Gleiches gilt übrigens für VCC.

Das ist der Nachteil von Analogtechnik mit nur einer Versorgung. Willst 
du genau auf 0, brauchst du eine Bipolare Versorgung. Das lässt sich 
aber oft vermeiden, indem man mit einem kleinen Offset arbeitet.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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OP Neuling schrieb:

> ich will eine DAC Spannung von 0 bis 2.5V aus einem Mikrocontroller
> kommend auf 0-10V verstärken. Habe leider nur 12V single supply zur
> Verfügung. Auf der Suche nach einem passenden Rail-to-Rail OPV hab ich
> gesehen das der LM324 laut Datenblatt bei einer Last von 10kOhm bis 5mV
> an das untere Ende kommt.

Aufpassen! Die Last muß ein Widerstand von höchstens 10K nach GND 
sein. Das ist deswegen, weil der LM324 den Ausgang nicht selber so weit 
runter ziehen kann, sondern das die Last für ihn erledigen muß. Die 
typisch 5mV (maximal 20mV) resultieren aus dem Leckstrom des oberen 
Transistors in der Ausgangsstufe.

> Irgendwas das gegen den LM324 als DAC Buffer/Verstärker spricht?

Daß er älter als die Steinkohle ist?

> Andere (modernere OPV) Vorschläge mit ähnlichem Rail-to-Rail
> Ausgangsbereich sind gerne willkomen

Besser sind R2R OPV in CMOS. Z.B. TS912, TLC272. Siehe im Wiki:

Standardbauelemente: Analog

von ArnoR (Gast)


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Hier hat sich Yalu mal die Mühe gemacht, einige OPVs bezüglich der 
Low-Sättigungsspannung auszumessen:

Beitrag "Re: Konstantstromsenke - Regelteil: Hilfe bei Offsetunterdrückung OPAMP - Schaltplan!"

von soso... (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Besser sind R2R OPV in CMOS. Z.B. TS912, TLC272. Siehe im Wiki:

Die lösen das Problem nicht.

TLC272:
Parameter "VOL" : Bei 0mA Last (Leerlauf!) Max 50mV.
Bei 4mA reden wir von 0,4V, mithin hat das Teil also 100Ohm 
Ausgangsimpedanz (siehe Fig. 18).

TS912:
Parameter "VOL". Bei 10k Last hat er 30-70mV.

...weil es nicht lösbar ist, ohne supraleitender Ausgangsstufe.

von OP Neuling (Gast)


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Was passiert mit dem OPV wenn ich mit einem Inverter, z.B. NCP1729, aus 
5V oder 3.3V die auch noch im System sind eine negative Spannung erzeuge 
- also den OPV bipolar allerdings unsymmetrisch versorge, +12V und -3.3V 
z.B.?

von Andreas M. (amesser)


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OP Neuling schrieb:
> Was passiert mit dem OPV wenn ich mit einem Inverter, z.B. NCP1729, aus
> 5V oder 3.3V die auch noch im System sind eine negative Spannung erzeuge
> - also den OPV bipolar allerdings unsymmetrisch versorge, +12V und -3.3V
> z.B.?

Der OPV weis nicht was "die Mitte" ist. Unsymmetrisch ist das nur für 
dich weil Du den Bezugspunkt kennst. Für deinen Fall sollte -3.3V 
ausreichend sein um dein Problem zu lösen (mit dem LM324). Ich würde 
noch direkt am LM324 mit Keramikkondensator gegen Masse abblocken.

von soso... (Gast)


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Andreas M. schrieb:
> Der OPV weis nicht was "die Mitte" ist. Unsymmetrisch ist das nur für
> dich weil Du den Bezugspunkt kennst. Für deinen Fall sollte -3.3V
> ausreichend sein um dein Problem zu lösen (mit dem LM324). Ich würde
> noch direkt am LM324 mit Keramikkondensator gegen Masse abblocken.

Yupp, so ssieht es aus.

Das ist aber von Hinten durch die Brust ins Auge gelöst, weil es 
meistens sehr viel einfacher ist, dem Signal einen kleinen Offset zu 
geben, als der Versorgung.

Wenn man die Anwendung kennen würde, könnte man dazu möglicherweise 
Tipps geben.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Der LM324 ist als Stromquelle ziemlich gut, als Stromsenke ziemlich
schlecht geeignet. Was gedenkst du als Last anzuschließen und wie? Mit
einer ohmsche Last gegen GND ist eine Ausgangsspannung von <10mV
realistisch, sonst wird es schwierig.

von Der Andere (Gast)


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OP Neuling schrieb:
> Was passiert mit dem OPV wenn ich mit einem Inverter, z.B. NCP1729, aus
> 5V oder 3.3V die auch noch im System sind eine negative Spannung erzeuge
> - also den OPV bipolar allerdings unsymmetrisch versorge, +12V und -3.3V
> z.B.?

Das ist die übliche Vorgehensweise wenn man sicher auf 0V kommen 
will/muss.
Die meisten Labornetzteile haben eine negative Hilfsspannung von einigen 
Volt, auch weil die damaligen OPs nicht als Rail to Rail existierten.

Dem OP ist es ziemluich egal wo du für dich 0V definierst, solange es 
innerhalb seines Versorgungs und Ein- und Ausgangsspannungsbereichs ist.

Was ist denn dein eigentliches Problem, dann kann man dir vieleicht 
konkreter helfen?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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soso... schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Besser sind R2R OPV in CMOS. Z.B. TS912, TLC272. Siehe im Wiki:
>
> Die lösen das Problem nicht.

Wenn man keine Ahnung hat ...

> TLC272:
> Parameter "VOL" : Bei 0mA Last (Leerlauf!) Max 50mV.
> Bei 4mA reden wir von 0,4V, mithin hat das Teil also 100Ohm
> Ausgangsimpedanz (siehe Fig. 18).

Äpfel und Birnen! Die Datenblattangaben des TLC272 beziehen sich auf den 
Fall, daß der OPV-Ausgang aktiv Strom aufnimmt. Der LM324 kann das 
prinzipiell nicht. Schau dir die Innenschaltung an. Der hat am Ausgang 
eine 50µA Stromsenke mit einem npn BJT und ansonsten einen pnp BJT als 
Emitterfolger [1], der unterhalb ~0.8V Ausgangsspannung gar keinen 
Strom nach GND leiten kann. Wenn du dem TLC272 am Ausgang einen 10K 
Widerling nach GND spendierst, kommt er locker(!) weit unter 1mV.

Siehe den verlinkten 
Beitrag "Re: Konstantstromsenke - Regelteil: Hilfe bei Offsetunterdrückung OPAMP - Schaltplan!" - da ist der TLC272 
auch ohne diesen Widerstand schon deutlich unter 1mV.

> TS912:
> Parameter "VOL". Bei 10k Last hat er 30-70mV.

Und wieder: Äpfel und Birnen. Man muß Datenblätter genau lesen. Die 
Angabe von V_OL gilt für "RL, CL connected to VCC/2". Der LM324 wäre 
unter diesen Bedingungen deutlich schlechter.

[1] im Datenblatt von ST/NXP ist das am besten dargestellt. ON-Semi 
zeigt zwar den BJT der Stromsenke, schreibt aber nicht dran, wieviel 
Strom fließt.

: Bearbeitet durch User
von OP Neuling (Gast)


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Anwendung soll ähnlich dem sein was man von Industriesteuerungen kennt. 
0-10V, 12bit Auflösung, Genauigkeit 25mV, besser 10mV. Und möglichst 
über den gesamten Spannungsbereich.
Was die Lasten angeht, ich würde dann die Bedingungen spezifizieren 
unter denen meine Werte garantiert werden, z.B. Minimum ohmsche Last 
2kOhm. In der Regel sind als Verbraucher wiederum (hochohmige) ADC der 
entsprechenden Sensoren/Steuerungen angeschlossen.

von Harald W. (wilhelms)


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OP Neuling schrieb:

> Auf der Suche nach einem passenden Rail-to-Rail OPV hab ich
> gesehen das der LM324 laut Datenblatt bei einer Last von 10kOhm bis 5mV
> an das untere Ende kommt.

Der LM324 ist kein Rail-to-Rail OPV. Er kommt allerdings bis
auf wenige mV an die untere Schiene heran.

> Nach oben hin habe ich ja 2V "Luft" so das es da
> keine Probleme geben sollte.
> Irgendwas das gegen den LM324 als DAC Buffer/Verstärker spricht?

Nun, er ist schon ziemlich alt und nicht gerade für Präzisions-
Anwendungen geeignet. Unabhängig davon, wenn Du wirklich 0V am
Ausgang erreichen willst, brauchst Du eine negative Betriebs-
spannung.

von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Axel S. schrieb:
> Der hat am Ausgang
> eine 50µA Stromsenke mit einem npn BJT und ansonsten einen pnp BJT als
> Emitterfolger [1], der unterhalb ~0.8V Ausgangsspannung gar keinen
> Strom nach GND leiten kann.

http://lowcurrent.wordpress.de/2015/09/07/strom-senken-mit-dem-lm324/

Das kann man sehr schön an der blauen Kurve in der Excel Grafik 
nachvollziehen.


Je nachdem was gemacht werden soll, kann man ja auch ein oder zwei 
Diodenstrecken zwischen Ausgang und Rückkopplung schalten. Damit kann 
der OP dann aber natürlich keinen Strom mehr senken.

von Gerhard O. (gerhard_)


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Wie wärs einen uC pin als Charge Pump Treiber zu mißbrauchen um -0.7V 
für die Vee- zu erzeugen? Kostet nur Pennies. Dann kann der Ausgang des 
OPVs ohne Probleme auf echt Null.

https://softsolder.com/2009/06/01/arduino-hack-job-lcd-negative-bias-supply/

https://www.electronicdesign.com/power/charge-pump-option-ldo-and-inductor-based-regulators

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/01146b.pdf

von Der Andere (Gast)


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OP Neuling schrieb:
> In der Regel sind als Verbraucher wiederum (hochohmige) ADC der
> entsprechenden Sensoren/Steuerungen angeschlossen.

Warum machst du die Übertragung nicht gleich digital?
DA-Wandler, Op als Verstärker, und wieder AD-Wandler ist ziemlich 
suboptimal.

Bei 10 Bit Genauigkeit mussen alle Baugruppen schon genauer als 0,1% 
sein.
Dafür brauchst du auch besser schon einen Low Offset oder Zero Offset 
OP.

Hier in dem Thread wurden neuere OPs als der alte Klassiker OP-07 
behandelt:
Beitrag "Präzisions-OP - Alternative OPA336"

von soso... (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Und wieder: Äpfel und Birnen. Man muß Datenblätter genau lesen. Die
> Angabe von V_OL gilt für "RL, CL connected to VCC/2". Der LM324 wäre
> unter diesen Bedingungen deutlich schlechter.

Und jetzt?
Das ist richtig, aber der Punkt ist: Der OPV Ausgang kann keinen Strom 
sinken, ohne dass eine Spannung stehen blieb.
Und dafür ist diese Angabe AUCH gedacht.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Philipp C. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Der hat am Ausgang
>> eine 50µA Stromsenke mit einem npn BJT und ansonsten einen pnp BJT als
>> Emitterfolger [1], der unterhalb ~0.8V Ausgangsspannung gar keinen
>> Strom nach GND leiten kann.
>
> http://lowcurrent.wordpress.de/2015/09/07/strom-senken-mit-dem-lm324/
>
> Das kann man sehr schön an der blauen Kurve in der Excel Grafik
> nachvollziehen.

Danke. Die Meßwerte sind wirklich ausgesprochen instruktiv. Man kann 
sehr gut sehen, daß bis ca. 50µA nur die CE-Sättigungsspannung des BJT 
aus der Stromquelle wirksam wird. Sobald der Ausgangsstrom (in den OPV 
hinein) darüber hinausgeht, muß der pnp BJT der Ausgangsstufe ran. Und 
weil der als Emitterfolger geschaltet ist, wird mindestens seine U_be 
plus die CE-Sättigungsspannung des ihn steuernden Transistors fällig.

Im Vergleich dazu schaue man sich die Diagramme U_OL vs. I_OL im 
Datenblatt des z.B. TLC272 an. Weil der Ausgang da ein MOSFET ist, 
verhält er sich praktisch rein ohmsch. Bei I_OL = 0 wird auch U_OL = 0 
und der Anstieg ist eine Gerade.

von Andreas S. (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite


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Für genau den genannten Anwendungsfall, nämlich die Erzeugung einer 
kleiner negativen Versorgungsspannung, gibt es Bauelemente wie den 
LM27761, d.h. eine als Inverter betriebene Ladungspumpe mit 
nachgeschaltetem LDO:

http://www.ti.com/product/LM27761

Man beachte allersdings, dass der Baustein maximal +5,5V 
Versorgungsspannung verträgt.

Falls ein deutlich höherer Ausgangsstrom benötigt wird, kommt vielleicht 
ein TPC63710 infrage, der auch äußerst kommode -1V erzeugen kann:

http://www.ti.com/product/tps63710

: Bearbeitet durch User
von Axel S. (a-za-z0-9)


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soso... schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Und wieder: Äpfel und Birnen. Man muß Datenblätter genau lesen. Die
>> Angabe von V_OL gilt für "RL, CL connected to VCC/2". Der LM324 wäre
>> unter diesen Bedingungen deutlich schlechter.
>
> Und jetzt?

Jetzt warte ich darauf, daß du deinen Fehler zugibst.

> ... der Punkt ist: Der OPV Ausgang kann keinen Strom
> sinken, ohne dass eine Spannung stehen blieb.

Das ist korrekt. Deswegen habe ich das auch nicht behauptet. Ich habe 
lediglich darauf hingewiesen, daß ein CMOS-OPV das wesentlich besser 
als der LM324 kann. Insbesondere daß der LM324 mit dem Ausgang 
überhaupt nur bis auf wenige mV runter kommt, wenn man ihm einen 
Lastwiderstand (der besser Pulldown Widerstand heißen sollte) von 
höchstens 10K vom Ausgang nach GND spendiert.

Dieser meiner Aussage glaubtest du widersprechen zu müssen. Was du mit 
Werten aus Datenblättern belegt hast, die für ganz andere Situationen 
gemessen wurden.

von Der Andere (Gast)


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Axel S. schrieb:
> Jetzt warte ich darauf, daß du deinen Fehler zugibst.

Der TO hat weiter oben sein Problem genauer beschrieben.
Euer Kleinkrieg hilft ihm aber eher nicht
:-(

von OP Neuling (Gast)


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Ich werde dann wohl die Variante bipolare Stromversorgung mit kleiner 
negativer Spannung wählen und dazu einen passenden OPV. Was würdet ihr 
empfehlen mit den gegebenen Werten Versorgungsspannung -3.3V/+12V, 
Output Swing 0-10V, Ausgangsstrom max. 10mA?

von Klaus (Gast)


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OP Neuling schrieb:
> Ich werde dann wohl die Variante bipolare Stromversorgung mit kleiner
> negativer Spannung wählen und dazu einen passenden OPV. Was würdet ihr
> empfehlen mit den gegebenen Werten Versorgungsspannung -3.3V/+12V,
> Output Swing 0-10V, Ausgangsstrom max. 10mA?

Ein 324 und zwei Widerstände sind doch schnell aufgebaut. Dann einen 
Funktiongenerator an den Eingang und das Scope an den Ausgang. Und schon 
kann man sehen, was wirklich passiert. Und so kann man am Labornetzteil 
auch ausprobieren, ob die Versorgung passt. Das geht schneller, als hier 
rumzudiskutieren. Und man braucht nicht zu rätseln, welcher Vorschlag 
brauchbar ist.

MfG Klaus

von Harald W. (wilhelms)


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Klaus schrieb:

> Das geht schneller, als hier rumzudiskutieren.

Nun, den minimal zulässigen Abstand des Arbeitsbereiches bei der
verwendeten Betriebsspannung laut Datenblatt sollte man schon
beachten. Sonst funktioniert die Schaltung nur zufällig. Für
Präzision im mV-Bereich ist aber der LM324 schon allein auf
Grund der hohen Offsetspannung nicht geeignet.

von A. S. (achs)


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OP Neuling schrieb:
> . In der Regel sind als Verbraucher wiederum (hochohmige) ADC der
> entsprechenden Sensoren/Steuerungen angeschlossen.

Recherchiere da vielleicht nochmals genauer. Ein ectrrner Sensor, der 0V 
liefern kann, ist praktisch unbrauchbar. Da ist z.b.0.5 .. 4.5V 
sinnvoller und verbreitet.

von Tierfreier Nichtraucher (Gast)


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Klaus schrieb:

> Ein 324 und zwei Widerstände sind doch schnell aufgebaut. Dann einen
> Funktiongenerator an den Eingang und das Scope an den Ausgang. Und schon
> kann man sehen, was wirklich passiert. Und so kann man am Labornetzteil
> auch ausprobieren, ob die Versorgung passt. Das geht schneller, als hier
> rumzudiskutieren. Und man braucht nicht zu rätseln, welcher Vorschlag
> brauchbar ist.


Absolute Zustimmung. Wahrscheinlich würde das aber zu wenig Zeit in 
Anspruch nehmen und es gäbe Keinen, mit dem streiten könnte. Deshalb muß 
das Thema hier des Langen und Breiten erörtert werden.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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OP Neuling schrieb:
> Ich werde dann wohl die Variante bipolare Stromversorgung mit kleiner
> negativer Spannung wählen und dazu einen passenden OPV. Was würdet ihr
> empfehlen mit den gegebenen Werten Versorgungsspannung -3.3V/+12V,
> Output Swing 0-10V, Ausgangsstrom max. 10mA?

Wenn der Krempel mit dem Ausgang in die freie Wildbahn zeigen soll, wäre 
es vor allem wichtig, einen OPV mit zeitlich unbegrenzter 
Kurzschlußsicherheit zu wählen. Alternativ einen Widerstand in der 
Ausgangsleitung (und die Gegenkopplung dahinter abgreifen).

Nachdem du nun eine negative Versorgung bereitstellen willst, bist du 
auch nicht mehr auf single-supply OPV-Krücken angewiesen. Universell 
wird es mit einem OPV, der auch niederohmige Lasten treiben kann. Das 
wird typisch mit "600 Ohm drive capability" beworben. Auch dann, wenn 
die Last eigentlich hochohmig ist, ist das ein Vorteil, weil solche OPV 
auch gutmütiger bezüglich kapazitiver Last (Kabel!) sind.

von OP Neuling (Gast)


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Werde mich wohl für den OPA192 entscheiden :)

von Werner H. (werner45)


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...viele der hier im Forum beschriebenen Probleme - gefühlt 80% - haben 
alle eine Gemeinsamkeit:
Die für die Anwendung vorgesehenen elektronischen Bauteile sollen nahe 
der zulässigen Spezifikationsgrenzen oder mit Gewalt sogar jenseits 
davon betrieben werden.
Warum eigentlich? Viel einfacher und zeitsparender wäre doch, nur den 
Bereich innerhalb der Spezifikation auszunutzen, da gibt es weniger 
Ärger. Dazu ist halt eine geringe Schaltungsänderung nötig.

Weiterhin fällt auf, daß die tollsten Leistungsnetzteile für die 
Akkuladung gebaut werden, aber eine einfache kleine 
Hilfsspannungsversorgung ist wohl für viele nicht drin...

Ich mein´ja nur   -   Werner

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