Design und Simulationsunstimmigkeiten

[Fantastico_Bernd (Gast)]

Hi

Ich bin neu im Filterdesign und im Umgang mit LT-Spice.
Zur Zeit bin ich eher auf der Ebene mich mit LT-Spice anzufreunden und 
damit ein wenig dahinter zu kommen, was die verschiedenen Filter im 
Hintergrund machen. Es geht hier um die Filterung des Rechtecks, um das 
Grundsignal zu erhalten.

Bei der Beschäftigung mit Filtern habe ich aber festgestellt, dass es 
ziemlich davon abhängt welchen OP man verwendet.
Dies scheint auch hier bei mir in der Simulation ein Problem zu sein.
Ich habe 2 Versuche durchgeführt.

1. Einen Filter (Sallen Key) habe ich selbst gebaut und zwar mit einem 
Standard OPAMP von LT-Spice, den ich direkt über die Direktive .lib 
opamp.sub eingebunden habe.

2. Einen anderen habe ich mit dem Filter Design Wizard vorgenommen. Es 
wird die obige Schaltung Filterdesign empfohlen. OPV ADA4505-2 wird 
verwendet.

Simuliere ich beide Schaltungen einmal mit dem Standard OPV, 
funktioniert die obige Schaltung, die von Analog Devices bringt hier 
keinen so schönen Sinus, funktioniert aber auch.
Simuliere ich beide mit dem vorgeschlagenen OPAMP ADA4505, so 
funktioniert nichts mehr wie es soll. Was läuft hier schief? Ist der OPV 
zu langsam? Nach welchen Kriterien wählt man diesen aus?

[Klaus R. (klara)]

Fantastico_Bernd schrieb:
> Simuliere ich beide mit dem vorgeschlagenen OPAMP ADA4505, so
> funktioniert nichts mehr wie es soll. Was läuft hier schief?

Es funktioniert doch alles wie es soll.

Du gibst einen Puls vor

-Vinitial 0 V
-Von 5 V

Mit dem Universial OP, obere 1. Schaltung, ist ja alles bestens. Es wird 
keine Versorgungsspanng vorgegeben. Die erste Stufe liefert +10 V und -1 
V. OK.

Die 2. Schaltung mit dem ADA4505 hat -UB auf GND und +UB auf 5V. Und 
liefert an der ersten Stufe? +5V, abgeschnitten und 0 V, aber spitz 
zulaufend.
Ist für diese Versorsungsspannung auch nicht falsch.

Wenn der Universial OP schon +10 V liefert, dann ist doch klar, das der 
ADA4505 auf Höhe von +UB bleibt. Er müßte +10 V liefern, wird aber nur 
mit +5 V versorgt.

Versorge den ADA4505 mit einer symmetrischen, zumindest dualen 
Spannungsversorgung. Er verträgt mur 5,0 V, also +/- 2,5 V.

Dein Rechteck wird vom Universial OP auch bis -1 V ausgesteuert. Deshalb 
sollte der ADA4505 auch mit mindestens -1 V an -UB versorgt werden.

Bei der 3. Schaltung sieht man am Output des U4 das der Rechteck quasi 
zum Sägezahn deformiert wird. Aber am Outut von U2 hast Du doch wieder 
die Grundwelle des Rechtecks.

Bei der 4. Schaltung mit dem ADA4505 wird das Signal einfach wegen 
Übersteuerung beschnitten.

Senke den Puls mal auf 1 V und gehe langsam höher. Dann siehst Du etwas.
mfg Klaus

[Klaus R. (klara)]

Fantastico_Bernd schrieb:
> 2. Einen anderen habe ich mit dem Filter Design Wizard vorgenommen. Es
> wird die obige Schaltung Filterdesign empfohlen. OPV ADA4505-2 wird
> verwendet.

Der Filter Wizard ist wirklich gut. Bei Wechselströmen ist nur Single 
Supply nicht gerade praktisch. In der Regel würde man bei +5 V eine 
virtuelle Masse auf UB/2, also +2,5 einrichten. Sonst wird die negative 
Welle abgeschnitten.

Ein Rechteck setzt sich aus theoretisch unendlich vielen Sinuswellen 
zusammen. Zusammen, mit der richtigen Phasenlage und Amplitude ergibt 
sich eben ein scharfer Rechteck. Schickt man den scharfen Rechteck über 
einen Tiefpass so werden ab der Grenfrequenz des Tiefpass Oberwellen 
zunehmend gedämpft. Der Rechteck wird verrundet.

Solch eine Verundung siehst Du am Ausgang des U4 deutlich. Hier wird der 
Sinus sogar kurz vor seinem höchsten Wert einfach durch die negative 
Flanke des Rechtecks abgeschnitten. Wir sehen jetzt einen Sägezahn. 
Schau Dir mal das FFT - Diagramm an.

Filtert man aus dem Rechteck die Grundwelle heraus, einen Sinus, so wird 
man sehen das die Amplitude nach oben und unten überschwingt. Schau Dir 
mal im Link Fourier-Analyse 1 an. Hier wird eine Synthese eines 
Rechtecks aus Sinuswellen ganz gut veranschaulicht. Der rote Sinus ist 
die Grundwelle.

https://www.spektrum.de/lexikon/physik/fourier-analyse/5240

Fourier-Analyse 1: Darstellung vier verschiedener Näherungen von Gleichung (17), an denen man die Auswirkung der Hinzunahme weiterer Glieder beobachten kann. Man beachte, daß der Graph um so mehr Oszillationen aufweist, je mehr Glieder berücksichtigt werden.

mfg Klaus

[Fantastico_Bernd (Gast)]

Hallo Klaus

Vielen Dank für deine ausführliche Erklärung. Du hast mir sehr geholfen 
und zwar so, dass ich mir schon blöd vorkomme. Ich habe das Problem 
einfach nicht mehr gesehen, da ich annahm, ich könnte einfach das Filter 
vom Wizard hernehmen und so simulieren mit 5V und GND, so wie ich es 
auch im Wizard für +Vs und -Vs angegeben habe. Mit 5V und GND 
funktioniert es so klarerweise nicht. Vermutlich habe ich das mit +Vs 
und -Vs etwas missglücklich interpretiert.
In diesem Fall ist es einfach die Angabe dafür, was für ein OPV es sein 
soll, in diesem Fall ist es einer der nur 5V verträgt. Es handelt sich 
also nicht darum, dass der OPV bei diesem Filter mit GND und 5V 
angeschlossen werden muss.

Ich entschuldige mich daher für die Fragestellung und vielen herzlichen 
Dank nochmals.

[Klaus R. (klara)]

Fantastico_Bernd schrieb:
> in diesem Fall ist es einer der nur 5V verträgt.

Ja, er ist für 5,0 V Versorgungsspannung ausgelegt. Dabei kann es aber 
auch +2,5 V und -2,5 V sein.


> Es handelt sich
> also nicht darum, dass der OPV bei diesem Filter mit GND und 5V
> angeschlossen werden muss.

Für eine Versorgung mit GND und +5 V ist das Eingangssignal zu hoch. Es 
würde den OPV übersteuern. Du legst ein Rechteck mit 0 V und 5 V an und 
willst die Sinus - Grundwelle herausfiltern. Der Sinus hat eine höhere 
Auslenkung als das Rechteck. Deswegen muß das Eingangssignal von 5 V 
vielleicht auf 4 V verringert werden um es nicht zu verzerren.

Aber selbst dabei würde die negative Welle des Sinus etwas ins negative 
am Output gehen wollen, geht aber nicht da hier -UB des OPV auf GND 
liegt.

Bei solchen Signalen nimmt man am einfachsten +2,5 V und -2,5 V. Oder 
man macht das mit einer virtuellen Masse auf UB/2. Dazu brauchst Du am 
Eingang und Ausgang einen Koppelkondensator. Am Eingang einen 
Spannungsteiler der Dir UB/2 erzeugt und noch einen Widerstand und 
Kondensator zur Stabilisierung der virtuellen Masse.

Es ist gerade beim Simulieren immer einfacher mit dualer 
Spannungsversorgung zu arbeiten. Mit den Potentialverschiebungen macht 
man leicht Fehler.
mfg Klaus.

[Fantastico_Bernd (Gast)]

Klaus R. schrieb:
> Fantastico_Bernd schrieb:
>> in diesem Fall ist es einer der nur 5V verträgt.
>
> Ja, er ist für 5,0 V Versorgungsspannung ausgelegt. Dabei kann es aber
> auch +2,5 V und -2,5 V sein.
>

>
> Bei solchen Signalen nimmt man am einfachsten +2,5 V und -2,5 V. Oder
> man macht das mit einer virtuellen Masse auf UB/2. Dazu brauchst Du am
> Eingang und Ausgang einen Koppelkondensator. Am Eingang einen
> Spannungsteiler der Dir UB/2 erzeugt und noch einen Widerstand und
> Kondensator zur Stabilisierung der virtuellen Masse.
>
> Es ist gerade beim Simulieren immer einfacher mit dualer
> Spannungsversorgung zu arbeiten. Mit den Potentialverschiebungen macht
> man leicht Fehler.
> mfg Klaus.

Hallo Klaus, vielen Dank für deine Antwort. Ich habe im Moment noch ein 
anderes Problem, sobald ich das gelöst habe, komme ich auf diesen Thread 
auf jeden Fall wieder zurück.