Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Invertierender Differenzverstärker


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von rbcn (Gast)


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Guten Tag,

ich hatte noch nicht viel mit Operationsverstärkern zu tun und möchte 
folgendes Problem lösen. Ich habe ein Signal, das zwischen 4 und 5V 
liegen kann und suche nach einem Weg, daraus ein Ausgangssignal zwischen 
0V und 5V zu machen. Dabei soll 4V am Eingang 5V am Ausgang erzeugen und 
5V am Eingang sollen 0V am Ausgang erzeugen. Nach meinen Recherchen 
brauche ich dazu einen invertierenden Differenzverstärker. Könnte ich 
das mit einem L358 oder einem anderen Rail to Rail OpAmp realisieren? 
Optimal wäre nämlich, wenn die Schaltung mit VCC=5V arbeiten würde. Hat 
jemand einen Tip wonach ich suchen könnte?

Viele Grüße und vielen Dank
rbcn

von Rainer S. (enevile) Benutzerseite


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rbcn schrieb:
> Könnte ich
> das mit einem L358 oder einem anderen Rail to Rail OpAmp realisieren?

Ja, weil die OPs auch Single Supply betrieben werden können.

rbcn schrieb:
> Optimal wäre nämlich, wenn die Schaltung mit VCC=5V arbeiten würde.

Vcc+ mit 5V und Vcc- auf Masse legen.

rbcn schrieb:
> Nach meinen Recherchen
> brauche ich dazu einen invertierenden Differenzverstärker.

Das ist richtig.

rbcn schrieb:
> Dabei soll 4V am Eingang 5V am Ausgang erzeugen und
> 5V am Eingang sollen 0V am Ausgang erzeugen.

Das Eingangs-Signal wird am invertierenden Eingang gelegt. Dann muss du 
den nicht-invertierenden Eingang auf 4V legen dies macht man mit einem 
Spannungsteiler. Alles über 4V wird der Ausgang auf 0V geschaltet. Das 
nennt man Schaltschwelle(Threshold).

Operationsverstärker-Grundschaltungen

von P. S. (namnyef)


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Bitte daran denken, dass auch ein Rail-2-Rail OPV in der Regel am 
Ausgang nicht ganz an seine Versorgung heran kommt.

von rbcn (Gast)


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Vielen Dank schon einmal, da war ich ja gar nicht komplett auf dem 
Holzweg. Dass 0V und 5V nicht komplett erreicht werden, ist für meine 
Anwendung kein Problem.

Rainer S. schrieb:
> Alles über 4V wird der Ausgang auf 0V geschaltet. Das
> nennt man Schaltschwelle(Threshold).

Das möchte ich eigentlich nicht, denn mein Signal ist sozusagen 
invertiert und mit einem Offset von +4V versehen. Ich hätte gern
Eingang der Schaltung <= 4V
Gewünschter Ausgang: 5V

Eingang der Schaltung == 5V
Gewünschter Ausgang: Nahe 0V

Eingang der Schaltung >4V UND <5V
Gewünschter Ausgang: 0-5V

von HildeK (Gast)


Angehängte Dateien:

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rbcn schrieb:
> Könnte ich
> das mit einem L358 oder einem anderen Rail to Rail OpAmp realisieren?

Nein, der kommt nicht an die VCC heran mit dem Ausgang. An die Null 
schon relativ gut. Und auch am Eingang muss man 1.5V von VCC weg 
bleiben.
Daher geht der nicht.
Du brauchst einen, der an Eingang und Ausgang R2R kann, also an beide 
Rails herankommt.
Im Anhang mal die Prinzipschaltung, die Widerstände kannst du skalieren 
und einen R2R-OPA bei TI und Konsorten selbst ausfindig machen - ich 
habe die Bezeichnungen nicht auswendig parat.

Rainer S. schrieb:
> Ja, weil die OPs auch Single Supply betrieben werden können.

Das hat damit überhaupt nichts zu tun. Du kannst jeden OPA an Single 
Supply betreiben. Der hat nur zwei Anschlüsse für die Versorgung und 
weiß absolut nicht, wo der Schaltungsentwickler sein Bezugspotential 
definiert hat.

von rbcn (Gast)


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Entsprechend dem hier müsste ich doch schon einmal folgendes erhalten:
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Wenn alle Widerstände gleich sind und ich lege 5V an E2 und mein Signal 
an E1 an, dann sollte ich am Ausgang mein Signal invertiert und mit der 
selben Amplitude von 0-1V haben, oder? Dann muss ich nur noch die 
verstärkung anpassen.

von Harald W. (wilhelms)


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rbcn schrieb:

> Ich habe ein Signal, das zwischen 4 und 5V
> liegen kann und suche nach einem Weg, daraus ein Ausgangssignal zwischen
> 0V und 5V zu machen.

Da wäre m.E. ein Komparator-IC am Besten geeignet.

von rbcn (Gast)


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HildeK schrieb:
> Im Anhang mal die Prinzipschaltung

Ahja super, vielen Dank! So in etwa hätte ich das jetzt auch mal 
versucht.

von rbcn (Gast)


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Harald W. schrieb:
> rbcn schrieb:
>
>> Ich habe ein Signal, das zwischen 4 und 5V
>> liegen kann und suche nach einem Weg, daraus ein Ausgangssignal zwischen
>> 0V und 5V zu machen.
>
> Da wäre m.E. ein Komparator-IC am Besten geeignet.

Es geht aber um ein analoges Sensorsignal, nicht um ein digitales.

von HildeK (Gast)


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Ja, mit v = R2/R1 = R4/R3.

von HildeK (Gast)


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HildeK schrieb:
> rbcn schrieb:
>> Könnte ich
>> das mit einem L358 oder einem anderen Rail to Rail OpAmp realisieren?
>
> Nein, der kommt nicht an die VCC heran mit dem Ausgang.

Ein LT1677 könnte passen - prüfe das aber nochmals.

von rbcn (Gast)


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Perfekt, vielen Dank für die Hilfe, ich werde es mit einem LMC6462 
probieren.

von HildeK (Gast)


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rbcn schrieb:
> ich werde es mit einem LMC6462 probieren.
Der ist auch geeignet, solange dein Sensorsignal nicht besonders schnell 
ist (<< 10kHz). 50kHz GBW - das ist der langsamste, der mir bisher 
begegnet ist.  😀

von rbcn (Gast)


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Ich dachte auch erst das muss ein Tippfehler sein, aber tatsächlich sind 
meine Anwendungen im niedrigen Hz Bereich, sodass er mir vielleicht 
sogar Störungen effektiv unterdrückt :D

von Jens G. (jensig)


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Der LMC6462 ist eigentlich eine gute Wahl.
Aber abgesehen von dessen extrem niedriger GBW, weil es ein 
Low-Power-OPV ist, sollte man beachten, daß der nur rel. kleine Lasten 
treiben kann.
Bei einer Last im unteren kOhm-Bereich wird der schon ein paar 100mV 
Abstand halten von den Rails, da er einfach nicht näher rankommt. Im 
Kleinsignal-Betrieb eher egal, aber Du willst ja eher 
Großsignal-Betrieb.
Die R-Werte in HildeK's Schaltplan sollten daher eher Faktor 10 höher 
sein.
Und das, was also nächste Stufe nach dem OPV folgt, einen Re in 
ähnlicher Größenordnung haben (oder höher).
Und wenn das alles dadurch rel. hochohmig wird, ist die Gefahr von 
Störeinstreuungen höher. Man sollte also zu lange Strippen zw. den 
Bauteilen vermeiden - also möglichst alles schön kompakt - das DB gibt 
ja Hinweise dafür.
Und, auch wenn dieser OPV eine sehr niedrige GBW hat, und wegen 
schlechter Betriebsspannungsqualität nicht gleich ins Schwingen geraden 
sollte, sollte man dessen Betriebsspannungen in der Nähe abblocken. 100n 
oder 1µ Elko oder sowas (größeren Aufwand muß man da aber nicht 
treiben).

von rbcn (Gast)


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Jens G. schrieb:
> Die R-Werte in HildeK's Schaltplan sollten daher eher Faktor 10 höher
> sein.
> Und das, was also nächste Stufe nach dem OPV folgt, einen Re in
> ähnlicher Größenordnung haben (oder höher).

Danach kommt nur der extrem hochohmige ADC eines Mikrocontrollers, das 
sollte also passen. Vielen Dank für die umfangreichen Ausführungen.

von Elektolurch (Gast)


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rbcn schrieb:
> Danach kommt nur der extrem hochohmige ADC eines Mikrocontrollers, das
> sollte also passen.

Wie kommst du auf die Idee? Wenn der nicht einen Vorverstärker drin hat,
was bei 0V-5V Eingangssignal nicht der Fall ist, macht der ADC sogar 
heftige
Sample-Stromspitzen am Eingang. Der Treiber-OPA muss innerhalb des 
Wandlungszyklus auf wenige LSB Genauigkeit setteln. Deshalb nimmt man da 
gerne sehr schnelle OPAs.
Wenn du das Rauschen des ADCs über Mittelwert etc. wegfiltern willst, 
brauchst du eine 10-1000 fach höhere Sample-Rate als deine Ausgangsrate 
=> Settling Time << 1/Sample-Rate...

von rbcn (Gast)


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Elektolurch schrieb:
> Wie kommst du auf die Idee? Wenn der nicht einen Vorverstärker drin hat,
> was bei 0V-5V Eingangssignal nicht der Fall ist, macht der ADC sogar
> heftige
> Sample-Stromspitzen am Eingang.

Hm, das macht schon Sinn. In der Praxis ist mir dieser Effekt bei meinen 
Basteleien bisher noch nicht aufgefallen. Eine kleine Kapazität am 
Ausgang wird der LMC6462 ja vielleicht verkraften, und schnell muss es 
wie gesagt nicht sein.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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rbcn schrieb:
> In der Praxis ist mir dieser Effekt bei meinen Basteleien bisher noch
> nicht aufgefallen.

Das passiert dann, wenn der ADC zwischen mehreren Kanälen gemultiplext
wird. Wenn du nur ein einzelnen Kanal einliest, merkst du davon nichts.

von Hans-jürgen H. (hjherbert) Benutzerseite


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Elektolurch schrieb: Eine kleine Kapazität am
Ausgang wird der LMC6462 ja vielleicht verkraften


Die Kapazität gehört nicht zwischen Ausgang und Masse, sondern zwischen 
Ausgang und Minus-Eingang.

Und nochmal einen zweiten, zwischen Plus-Eingang und Masse.

Die Berechnung dann durchführen  mit Z = 1/ ( 1/R + j  omega  C )

Und wenn Du die 2.56 V ARef vom Mikrocomputer nimmst, statt der +5V, 
dann hast Du die Genauigkeit der Referenzspannung für die 
Nullpunktverschiebung des Differenzverstärkers. Und der Op-Amp-Ausgang 
nicht an die +5V heran.

Oder lege den Differenzverstärker so aus, dass der Ausgang nicht von 0V 
bis VRef geht, sondern von 0.5V bis VRef., oder was immer dein Op-Amp 
gut liefern kann.


Siehe auch: Beitrag "Spannungsmessung Anhebung virtueller Masse notwendig?"

von Wolfgang (Gast)


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rbcn schrieb:
> Nach meinen Recherchen
> brauche ich dazu einen invertierenden Differenzverstärker.

Ein Differenzverstärker rechnet ganz allgemein
U_a = A  U_e1 - B  U_e2
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Was meinst du mit einem invertierenden Differenzverstärker?
Einen, der rechnet
U_a = B  U_e2 - A  U_e1

Vertausche also einfach die Eingänge

von Wolfgang (Gast)


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grrrh - dies Forensoftware
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U_a = A * U_e1 - B * U_e2
 vs.
1
U_a = B * U_e2 - A * U_e1

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