Moin
Ich beschäftige mich mit OpAmps und wie sie intern funktionieren.
Perspektivisch möchte ich eine Spannung > 60V mit einem AVR + DAC
regulieren, und dazu den Klassiker aus OpAmp und Leistungstransistor
nutzen. Ja, es gibt fertige Lösungen. Ja, IC performen besser als
diskrete Eigenkreationen.
Darum geht's mir gerade nicht.
Simu ist angehängt. Differentielles Paar mit Stromsenke, PNP +
Ausgangsstufe, mit Kompensation. Minimaler geht's kaum noch. Trotzdem
viel gelernt.
Die Konfiguration ist gerade die eines Spannungsfolgers.
Wenn man IN gegen OUT vergleicht, schwingt die Differenz zwischen +100
mA und -170 mA über den Regelbereich von 5-55 Volt. Das ist jetzt nicht
so befriedigend.
Echte IC sind da wesentlich genauer. Bestehen aber auch aus einem Wald
von Transistoren, Gain-Stufen, Stromquellen / senken und anderen
Schaltungen, deren Zusammenspiel sich mir nicht erschließt.
Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen? Oder
braucht es den Wald einfach?
Gruß
Holger
Holger L. schrieb:> Echte IC sind da wesentlich genauer.> Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen?
Ja, man nehme einen "echten" IC-OPV. Der "Trick" bei denen ist,
das man innerhalb von ICs Transistorpaare mit absolut gleichen
Daten herstellen kann.
Harald W. schrieb:>> Ja, man nehme einen "echten" IC-OPV. Der "Trick" bei denen ist,> das man innerhalb von ICs Transistorpaare mit absolut gleichen> Daten herstellen kann.
Naja, das ist bei der Simulation wohl nicht ein Problem. Und ~100mV
würde es auch nicht erklären.
Holger L. schrieb:> Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen? Oder> braucht es den Wald einfach?
Mehr Verstärkung? Der Strom im differential pair ist nur 2* 18µA. Wenn
man ihn erhöht, müssten aber auch R3 und R4 kleiner werden, damit die
Arbeitspunkte stimmen. So gewinnt man nichts, daher verwendet man statt
R3 und R4 besser einen Stromspiegel als Last.
die zweite Verstärkerstufe um Q4 sollte eigentlich einen sehr hohen gain
liefern. ist bei deinem Arbeitspunkt wohl eher nicht der Fall (ohne die
simu jetzt selbst ausprobiert zu haben)
und wenn der open loop gain nicht sehr hoch ist, dann ist der OPV
ungenau
Q5 und Q6 leiten beide gar nicht, wenn die Spannung an Kollektor Q4
genau die Ausgangsspannung ist. Ich würde da einen Bypass-Widerstand bei
Q5/Q6 von B nach E legen.
Q4 zieht den Kollektor von Q2 immer auf +59.4V. Q3 sieht am Kollektor
immer 50k.
Die Stromquelle unten mit Q1 sorgt dafür, dass an einem 50k Widerstand
maximal 4V abfallen können. Das Diff-Paar wird sehr asymmetrisch
betrieben.
Holger L. schrieb:> Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen?
Dein Opamp braucht mehr Leerlaufverstärkung. Das ganze Ding ist ja ein
P-Regler (mit nicht korrigierter statischer Sollwertabweichung).
mfg mf
Holger L. schrieb:> Wenn man IN gegen OUT vergleicht, schwingt die Differenz zwischen +100> mA und -170 mA> Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen?
Diese Abweichung besteht aus 2 Komponenten:
1. Ein Offset, also die Unsymmetrie, die wohl aus den unterschiedlichen
Strömen in den Diff-Transistoren resultiert. Das liegt an der falschen
Dimensionierung von R1. An ihm liegen 1,9V, am gleich großen R3 aber nur
0,6V, der Strom durch Q2 ist also deutlich kleiner als der Strom durch
Q3.
2. Eine zu geringe Leerlaufverstärkung der Schaltung. Das liegt an der
unsinnigen Dimensionierung der Schaltung. Man denke z.B. an Q4. Der
belastet mit seinem Eingangswiderstand von etwa 2...3kOhm den R3.
Holger L. schrieb:> Minimaler geht's kaum noch.
Was sollen R5 und R10 in der Schaltung? Wozu ist hinten eine
Ausgangssufe, die Übernahmeverzerrungen verursacht?
mfg
ArnoR schrieb:> Eine zu geringe Leerlaufverstärkung der Schaltung.
Mit R1=10k und R3=6k8 bekommt man bei sonst unveränderter Schaltung
~10dB mehr Leerlaufverstärkung. C1 muss dann auf 47pF vergrößert werden.
Hallo
Vielen Dank für eure Anmerkungen.
Ich habe jetzt länglich mit verschieden Werten experimentiert. Die
Endstufe aus den NPN/PNP rausgeworfen, da sie nicht zur Verbesserung
beitragen konnte. Ich habe etliche Läufe mit ge-.step-ten-Parametern
durchgeführten, keine Kombination von Werten brachte wirklich
befriedigende Werte.
Nun ist mir die Mathematik hinter der Schaltung auch nicht wirklich
klar. Gut möglich also, dass ich das Offensichtliche übersah. Für mich
ist die Schaltung in dieser Form ausgereizt.
Zumal ein anderer Kandidat (https://www.sound-au.com/project231.htm)
deutlich bessere Ergebnise brachte. Der hat +/- 15mA Abweichung über den
Regelbereich von 5 - 75 Volt. Und noch nicht optimiert.
Mal schauen, was da geht. Und was am Ende in der Realität passiert.
Gruß
Holger
Holger L. schrieb:> Die> Endstufe aus den NPN/PNP rausgeworfen, da sie nicht zur Verbesserung> beitragen konnte.
Das halte ich für einen Fehler, denn die macht die Transformation der
Last an den Hochimpedanzknoten Kollektor Q4. Du könntest so mit
kleineren Arbeitspunktströmen niederohmige Lasten treiben. Indem man den
pnp Q4 durch einen PMOS und seinen Kollektorwiderstand durch eine
Stromquelle ersetzt, bekommt man bei noch geringerer Stromaufnahme
gegenüber deiner Version eine mehr als 1000-fach höhere
Leerlaufverstärkung. Siehe Anhang.
Holger L. schrieb:> Zumal ein anderer Kandidat (https://www.sound-au.com/project231.htm)> deutlich bessere Ergebnise brachte.
Das ist doch genau das selbe in grün (also die gleiche Struktur in
komplementär), nur hast du die Ströme in den Stufen um einen Faktor >100
vergrößert und damit viel größere Steilheiten in den Stufen und außerdem
den Kollektorwiderstand des ursprünglichen Q4 durch eine Stromquelle
ersetzt. Das ergibt eine viel größere Leerlaufverstärkung und damit eine
kleinere Abweichung in der Betriebsverstärkung.
Hallo Arno
Vielen Dank für die Aufarbeitung. Tatsächlich funktioniert Dein Design
ganz hervorragend.
Mit den vorgeschlagenen 50k/82k meldet zumindest LtSpice eine Differenz
von 220 mV zwischen eingestellter und geregelter Spannung.
Wenn ich etwas mehr Strom verheize, wozu ich durchaus willens bin, kann
ich das mit 20k/47k auf unter 10 mV reduzieren. Wenn ich durch den PMOS
auch mehr durchleite geht die Differenz noch weiter runter. Ich muss
halt schauen, was die Transistoren aushalten.
Das Verhältnis zwischen den beiden Widerständen muss ziemlich genau
eingestellt werden. Das schreit in der Umsetzung nach einem Trimmer.
Mit einem matched Pair im Differenzverstärker sollte das gut
funktionieren.
Denke ich mir so.
Holger L. schrieb:> Tatsächlich funktioniert Dein Design ganz hervorragend.
Ich würde da nicht von meinem Design sprechen, diese Schaltungsart ist
uralt. Es sollte nur mit minimalen Änderungen verdeutlichen, was ich vor
ein paar Tagen sagte.
Holger L. schrieb:> Mit den vorgeschlagenen 50k/82k meldet zumindest LtSpice eine Differenz> von 220 mV zwischen eingestellter und geregelter Spannung.
Bei mir ist es genau so wie es sein sollte. Die Leerlaufverstärkung ist
bei 10Hz um den Faktor ~100 größer als in deiner Dimensionierung, und
dementsprechend ist auch der die Differenz zwischen eingestellter und
geregelter Spannung nur ein paar mV.
> Bei mir ist es genau so wie es sein sollte. Die Leerlaufverstärkung ist> bei 10Hz um den Faktor ~100 größer als in deiner Dimensionierung, und> dementsprechend ist auch der die Differenz zwischen eingestellter und> geregelter Spannung nur ein paar mV.
Ich habe jetzt nochmal die Schaltung kontrolliert. Die Verbindungen
stimmen. Die Komponenten sind andere. 2N5550 statt 2N5551. Den BSP92 hat
LtSpice auch nicht. Und nach diversen Versuchen ist mein Eindruck, dass
es u.a. auf den PMOS ankommt.
Ich bin weit davon entfernt, Deine Mathematik in Frage zu stellen. Und
gleichzeitig vermittelt mir die Simu, dass es auch auf die verbauten
Teile ankommt.
Beispiel, die Stromsenke wird mit 50k betrieben:
Der PMOS RSJ250P10 ist mit 93k im Kollektor des diff. Paares optimal
eingestellt.
Der Si7113DN eher so bei 130k.
Je nach PMOS geht das bis zu 0,3 Volt nach oben oder unten. Ich suche
noch den relevanten Parameter.
Holger L. schrieb:> Den BSP92 hat LtSpice auch nicht.
Hab ich bei Infineon runtergeladen und in TINA eingefügt. Das geht auch
bei LTSpice.
Holger L. schrieb:> Ich habe jetzt nochmal die Schaltung kontrolliert.
...
Den Ausgangsoffset kannst du mit dem 50k oder dem 82k einstellen. Durch
die Diff-Transistoren muss der gleiche Strom fließen.
>60V ist natürlich eine Herausforderung, wenn man einen Operationsverstärker
braucht. Die meisten gehen bis max. 36V darüber wird es sehr dünn. Wenn es sein
muss, bekommt man aber Typen bis 2500V, siehe
https://www.apexanalog.com/products/matrix_high-voltage.html . Ist halt teuer,
aber bevor ich anfange, einen OPV selbst zu konstruieren, gebe ich lieber das Geld
aus.
> aber bevor ich anfange, einen OPV selbst zu konstruieren, gebe ich lieber> das Geld aus.
Interessanter Hinweis.
Mouser ruft für die PA8x durchgehend 150 Euro+ auf. Da überlege ich doch
schon.
Und mir gehts halt gerade darum, ins Innenleben zu schauen. Und
herauszufinden, was alles geht. Scheitern inbegriffen. Das wiederum ist
mir das (Lehr)Geld wert.
Gruß
Holger
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