OpAmp diskret - Differenz IN / OUT

[Holger L. (symetron)]

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

[Harald W. (wilhelms)]

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.

[John D. (Gast)]

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.

[John D. (Gast)]

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.

[Achim S. (Gast)]

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

[Michael M. (Firma: Autotronic) (michael_metzer)]

Da Q5 und Q6 nicht vorgespannt sind, kannst du vielleicht erstmal zum 
Testen einen 1k Widerstand zwischen die Emitter und Basen schalten.

[Achim M. (minifloat)]

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

[ArnoR (Gast)]

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.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

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 (Gast)]

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.

[Holger L. (symetron)]

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

[ArnoR (Gast)]

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.

[Holger L. (symetron)]

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.

[ArnoR (Gast)]

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.

[Holger L. (symetron)]

> 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.

[ArnoR (Gast)]

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.

[Jörg B. (joergb2)]

>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.

[Holger L. (symetron)]

> 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