Signal mit OP Verstärken

[Dominik W. (dominik009)]

Hallo Zusammen,

ich versuche ein analoges Signal (50Hz 0V bis 200mV (Scheitelwert) mit 
einem invertierenden Verstärker zu verstärken (A=3).

Ich habe mich an der Schaltung aus dem ATMEL Aplication Note "Atmel 
AVR465: Single-Phase Power/Energy Meter with Tamper Detection" 
orientiert.

Die Schaltung ist im Anhang.

Lege ich den nichtinvertierenden Eingang auf Ground, wird das 
Eingangssignal um Faktor 3 Verstärkt.

Ich möchte das Signal aber gerne um 0,55V Gleichanteil erhöhen. Sobald 
ich jedoch 0,55V über den Spannungsteiler am nichtinvertierenden Eingang 
anlege, erhalte ich einen deutlich höheren Gleichanteil im 
Ausgangssignal (siehe Bild).

Dieser Gleichanteil im Ausgang verschiebt sich in abhängigkeit der 
Amplitude des Eingangssignals. Die 0,55V am nichtinvertierenden Eingang 
sind konstant.

Hat vieleicht jemand eine Idee, wo mein Fehler liegt?

Beim OP handelt es sich um einen MCP6004.

Gruß Dominik

[Wolfgang (Gast)]

Dominik W. schrieb:
> Hat vieleicht jemand eine Idee, wo mein Fehler liegt?

Verwende einfach die allgemeine Grundschaltung eines Subtrahierers
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Ue2 ist deine Offset-Spannung, Ue1 deine Wechselspannung.
Über die Widerstände R1..R4 stellst du die Verstärkungen so ein, wie du 
es gerne hättest.

[Jens G. (jensig)]

Wenn Du Wechselspannung verstärken willst, Gleichspannung aber nicht, 
dann mache einen C (1µ oder so) in Reihe zum 30k. Damit bekommst Du eine 
Gleichspannungsverstärkung von 1, und solltest damit Deine 0,54V am 
Ausgang sehen.

[Helmut S. (helmuts)]

Der Offset am Ausgang ist Ua0.

Ua0 = 0,5381V*(1+91kOhm/30kOhm) = 2,17V

Ua = Ua0 - Ue*91kOhm/30kOhm

Ua = 2,17V -Ue*3,033


Warum hast du so hochohmige Widerstände am Pluseingang gewählt?
Mach die doch zwei Dekaden niederohmiger, 68kOhm und 8,2kOhm.

[Mani W. (e-doc)]

Helmut S. schrieb:
> Warum hast du so hochohmige Widerstände am Pluseingang gewählt?
> Mach die doch zwei Dekaden niederohmiger, 68kOhm und 8,2kOhm.

Genau!

Hochohmig bedeutet meist auch empfindlich für Störspannungen...

[Michael (Gast)]

Hallo,

> Lege ich den nichtinvertierenden Eingang auf Ground, wird das
> Eingangssignal um Faktor 3 Verstärkt.
Das sieht so aus, aber eigentlich ist der Verstärkungsfaktor für das 
Wechselsignal negativ.

> Ich möchte das Signal aber gerne um 0,55V Gleichanteil erhöhen. Sobald
> ich jedoch 0,55V über den Spannungsteiler am nichtinvertierenden Eingang
> anlege, erhalte ich einen deutlich höheren Gleichanteil im
> Ausgangssignal (siehe Bild).
Ja, das ist klar. Der OPV sorgt dann mit seiner Ausgangsspannung (über 
den Rückkopplungswiderstand) dafür, dass am nichtinvertierenden (-) 
Eingang auch immer 0,55 V herrschen.
Der Eingangsstrom ist dann (u1(t)-0,55V)/(30k). Dieser kommt vom 
OPV-Ausgang und fließt zum Signalgenerator. Da im zeitlichen Mittel U1=0 
ist, fließt im Mittel der Strom von 0,55V/30k=18uA vom OPV-Ausgang zum 
Signalgenerator.

Rechnen wir einmal aus, welche Spannung dann im Mittel am OPV-Ausgang 
erscheint:

$$U_A = (91+30) \cdot 10^3 \Omega \cdot 18\cdot 10^{6-} A = 2,2 V$$

Du kannst also am Ausgang im Mittel eine Spannung von 2,2V erwarten, was 
laut Deinem Bild wohl auch der Fall ist.


> Dieser Gleichanteil im Ausgang verschiebt sich in abhängigkeit der
> Amplitude des Eingangssignals. Die 0,55V am nichtinvertierenden Eingang
> sind konstant.
Setze mal zwischen den Ausgang des Signalgenerators und den 
30k-Widerstand einen Kondensator, beispielsweise einen 47uF-Elko (sowas 
hat man ja eigentlich immer da). Die PLUS-Seite des Elkos (langes Bein) 
kommt auf die Seite des 30k-Widerstands, denn hier herrschen ja stets 
+550 mV, während der Signalgenerator maximal +200mV ausgibt.


> Hat vieleicht jemand eine Idee, wo mein Fehler liegt?
Ja, die Schaltung funktioniert anders als Du denkst.

Ich empfehle folgende Änderungen:
1) Spannungsversorgung 5V/0 ist ok
2) Dann aber an den Plus-Eingang 2,5V anlegen (nicht nur 0,55V).
3) Kondensator verwenden, um nur den Wechselanteil durchzulassen (siehe 
oben, 47uF).

Aus Sorgfalt empfehle ich weiterhin folgendes:
4) Einzelne, sternförmig verlaufende Masse zu jedem IC legen.
5) Irgendwo auf dem Board 47µF von +/- VCC gegen GND schalten.
6) In unmittelbarer Nähe jedes IC 100nF (Keramik) von +/- VCC gegen GND 
schalten.
7) Nutzen eines Simulationsprogramms, beispielsweise dieses hier:
https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html#
Im Anhang findest Du eine Datei mit Deiner Simulation. Die müsstest Du 
vorher noch entpacken. Das zippen war nötig, da das Forum keine 
.asc-Dateien durchlässt.

> Beim OP handelt es sich um einen MCP6004.
Bei LTSpice könntest Du als vergleichbaren OPV den LTC6260 verwenden. Er 
ist auch Rail-to-Rail und hat ein ähnliches 
Verstärkungs-Bandbreite-Produkt.


Viele Grüße
Michael