LTSpice - "OPV-Stromquelle"

[Roman B. (roh)]

Hallo, ich möchte bei meiner Simulation eines U/I-Wandlers bzw. 
Konstantstromquelle aus OPV's eine beliebige Spannungsform anlegen und 
den R6 am Ausgang variern.

Anschließend möchte ich die verschiedenen Widerstandsgeraden von R_6 in 
einen Plot ansehen, also Y: Spannung Uout und X: I(R6).

Ist es möglich im LTSpice R_6 zu variieren und mehrer Widerstandsgeraden 
gleichzeitig in ein Diagramm dann am Ende darstellen zu lassen?

LG
Roman

[Helmut S. (helmuts)]

Hallo Roman,
hast du das so gemeint wie im screenshot?

Normalerwesie ist bei der .TRAN Analyse die Zeit auf der x-Achse. Man 
kann aber auch eine andere Größe für die x-Achse wählen.
Rechtsklick knapp unterhalb der x-Achse, dann "Quantitity Plotted: I(RL) 
eingeben.

[Roman B. (roh)]

Ja genau! Danke.

Ich habe nämlich diese Widerstandsgeraden schon auch vor dem Simulieren 
direkt an der Schaltung mit verschiedenen R_L's (von 1 Ohm bis 10k Ohm) 
gemessen.

Im Prinzip wurde ein langsames Dreiecksignal (Spannung) bei der Messung 
vorgegeben und mittels U/I-Wandler der Strom durch R_L geschickt (bzw. 
dieser vorgegeben). Die Spannung am R_L wurde mit einem ADC gemessen. 
Die anschließenden Daten von U und I wurden zu den oben zu sehenden 
Widerstandsgeraden zusammengefasst.

Dazu sind mir drei Bereich 1,2 und 3 aufgefallen. Der erste Bereich ist 
völlig parallel zur x-Achse, der 2. fällt mir einer Steigung von 50 Ohm 
ab und der 3. strombegrenzt auf ca. 45mA.

In der Simulation wird von 10 Ohm bis 10k Ohm simuliert. Das Resultat 
zeigt, dass dieser Bereich 2 auch vorhanden ist und mit genau 50 Ohm 
abnimmt. Was mir auch aufgefallen ist, dass sich diese ändern je nachdem 
wie groß mein R5 ist:

R5 = 10 Ohm --> Steigung im Bereich 2: 21,6 Ohm
R5 = 100 Ohm --> Steigung im Bereich 2: 107,5 Ohm

Aber Bereich 1 tritt bei der Simulation gar nicht auf und da fällt mir 
kein triftiger Grund ein, warum das nicht so ist bzw. von wo diese im 
Endeffekt ~0 Ohm-Gerade kommt.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Roman B. schrieb:
> Im Prinzip wurde ein langsames Dreiecksignal (Spannung) bei der Messung
> vorgegeben

Wie langsam? Der LT1012 ist nicht der schnellste, deswegen stellt sich
die Frage, ob da auch dynamische Effekte mit hineinspielen können.

Welche Amplitude hat das Dreiecksignal? Bei 45mA maximalem Ausgangsstrom
müsste sie etwa 1,8V betragen. In Helmuts Simulation ist es nur 1V, so
dass die Ergebnisse nicht direkt miteinander vergleichbar sind.

> Die Spannung am R_L wurde mit einem ADC gemessen.

Reicht dessen Messbereich für ±10V aus, oder wird evtl. bei der Messung
etwas abgeschnitten?

> Dazu sind mir drei Bereich 1,2 und 3 aufgefallen. Der erste Bereich ist
> völlig parallel zur x-Achse, der 2. fällt mir einer Steigung von 50 Ohm
> ab und der 3. strombegrenzt auf ca. 45mA.

In (3) befindet sich die Schaltung im linearen Bereich, wo der
Ausgangsstrom exakt der Steuerspannung folgt.

In (2) übersteuert der LT1012 und evtl. auch der LT1010. Die
Ausgangsspannung der Schaltung ist dann die Ausgangsspannung des LT1010
abzüglich des Spannungsabfalls an R5+Rsat (wenn der LT1010 übersteuert)
oder R5+Rout (wenn der LT1010 noch im linearen Bereich arbeitet). Rsat
und Rout sind im Datenblatt des LT1010 mit ≤10Ω bzw. ≤22Ω angegeben.
Damit sind die von dir gemessenen Steigungen für unterschiedliche R5
erklärbar.

Was in (1) geschieht, kann ich auch nicht genau sagen. Das Verhalten
hängt u.a. davon ab, wie stark die beiden Verstärker übersteuern. Der
Eingangsstrom des LT1010 (und damit die Belastung des LT1012) ist vom
Übersteuerungsgrad des LT1010 abhängig, was die Sache weiter
verkompliziert. Ich habe versucht, das Verhalten in der Simulation
nachzustellen, aber leider ohne Erfolg. Möglicherweise entsprechen die
Simulationsmodelle der beiden Verstärker im Übersteuerungsbereich nicht
ganz der Realität, was bei ihrem typischen Einsatz (Bereich 3) ja auch
keine Rolle spielt.

[Klaus R. (klara)]

Hallo Roman,
die Konstantstromquelle ist im Tietze/Schenk 3. Auflage auf Seite 216 
vorgestellt worden. Du hast die Widerstände nicht korrekt dimensioniert.

R1 = R4 = R3 alle gleicher Wert, hier 100K.

Iout = V3 /(R5 // 100K)
R2 = (100k x 100k) / (R5 + 100k)
mfg klaus

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Klaus R. schrieb:
> Du hast die Widerstände nicht korrekt dimensioniert.
>
> R2 = (100k x 100k) / (R5 + 100k)

Bei R5=40,2Ω beträgt der Fehler 0,04%, was zu einer ganz winzigen
Lastabhängigkeit der Ausgangsstroms führt. Anstatt R2 zu ändern, könnte
man auch 40,2Ω zu R1 in Serie schalten. Das ist aber nur dann sinnvoll,
wenn alle 100kΩ-Widerstände eine Toleranz von weniger als die 0,04%
haben.

[Roman B. (roh)]

Yalu X. schrieb:
> Wie langsam? Der LT1012 ist nicht der schnellste, deswegen stellt sich
> die Frage, ob da auch dynamische Effekte mit hineinspielen können.


Yalu X. schrieb:
> Welche Amplitude hat das Dreiecksignal? Bei 45mA maximalem Ausgangsstrom
> müsste sie etwa 1,8V betragen. In Helmuts Simulation ist es nur 1V, so
> dass die Ergebnisse nicht direkt miteinander vergleichbar sind.

Genau, Amplitude und Periodendauer der Dreieckspannung sind 9,2 Sekunden 
und 1,8 V. (Die übrigens mittels DAC erzeugt wird)


Und stimmt, habe vergessen die Amplitude des Sinus in der Simulation zu 
ändern. Also mit 1,8V sind eben die 45mA gegeben und auch dasselbe 
Verhalten wie Bereich 2 zeigt, also meine 50 Ohm Steigung. Bereich 1 
kommt nicht vor.

Yalu X. schrieb:
> Reicht dessen Messbereich für ±10V aus, oder wird evtl. bei der Messung
> etwas abgeschnitten?

Ja, stimmt! Das ist auch gut im Diagramm im letzten Post ersichtlich. 
Die türkise Widerstandsgerade ist ein R_L = 147 Ohm und ist die Grenze 
zwischen Bereich 2 und 3. Die rote Gerade links davon ist R_L = 220 Ohm 
und dazu der Clipping-Effekt beim Dreieck im angehängten Bild zu sehen.

edit: Achso, da habe ich dich falsch verstanden. Das was ich im letzten 
Punkte erklärt habe, ist lediglich das Verhalten des U/I-Wandlers bei zu 
großer Las bzw. das was du unter (2) in deinem vorletzten Beitrag 
erklärt hast.

[Klaus R. (klara)]

Yalu X. schrieb:
> Bei R5=40,2Ω beträgt der Fehler 0,04%, was zu einer ganz winzigen
> Lastabhängigkeit der Ausgangsstroms führt.

Überredet. Mir ist dies nur aufgefallen weil ich mich in den letzten 
Tagen selbst mit dieser Schaltung beschäftigt hatte. Es ging aber da um 
300µA. Die Stromquelle hatte eine Lastabhängigkeit von 0,04%. Genauere 
Werte brachten jedoch eine Stabilität im nano% - Bereich.

Fazit, die Schaltung ist an sich grundsätzlich stabil. Es hängt nur von 
den Toleranzen der Widerstände ab. Der OPV ist dann die nächste 
Schwachstelle.
mfg Klaus