Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik LTspice: OpAmp Eingänge vertauscht in Konstantstromquelle


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von Florian B. (srml)


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Ich verwende in LTspice (v24.0.12) das UniversalOpAmp2-Symbol in zwei 
unterschiedlichen Schaltungen:

1) Ein Spannungsfolger (Buffer): Hier funktioniert alles wie gewohnt – 
In+ an das Eingangssignal, In– an den Ausgang, und das Ergebnis ist ein 
normaler Buffer. Werden In+ und In- vertauscht angeschlossen, 
funktioniert es (wie erwartet) nicht.

2) Eine High-Side Konstantstromquelle mit einem p-Kanal-MOSFET und einem 
Messwiderstand: Diese Schaltung funktioniert nur, wenn ich den 
Messwiderstandknoten an das im Symbol als In+ bezeichnete Pin anschließe 
und den Sollwert (Vset) an In–. Wenn ich das nach üblichem Schema 
anschließe (so wie im Bild dargestellt, also Messwiderstand an In–, Vset 
an In+), saturiert der OpAmp auf 0 V, und es findet keine Regelung 
statt.

In beiden Fällen nutze ich das gleiche OpAmp-Symbol mit den gleichen 
Parametern. Warum verhält sich die erste Schaltung (Buffer) normal, 
während ich in der zweiten (Konstantstrom) die Eingänge vertauschen 
muss, um eine negative Rückkopplung zu erhalten?

Ich sehe das gleiche Verhalten auch bei anderen OpAmp-Modellen, z.B. 
LTC6078. Laut Netlist ist alles so verbunden wie es im schematic 
aussieht. Die Pinzuordnung im Symbol entspricht der im Modell (jdf. für 
UniversalOpAmp2, für LTC6078 kann ich es nicht nachvollziehen).

Ich wäre sehr dankbar für Hinweise, warum in ein und derselben 
OpAmp-Subschaltung die Anschlüsse in der einen Anwendung richtig sind, 
in der anderen aber vertauscht werden müssen!

: Bearbeitet durch User
von Benjamin K. (bentschie)


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Florian B. schrieb:
> Warum verhält sich die erste Schaltung (Buffer) normal,
> während ich in der zweiten (Konstantstrom) die Eingänge vertauschen
> muss, um eine negative Rückkopplung zu erhalten?

Ganz kurz, weil deine Schaltung nicht gleich ist.

Ausführlicher: OPV Schaltungen erklären sich zumeist indem man den OPV 
als ideal annimmt und die Verstärkung zu unendlich setzt. Das bedeutet, 
wenn die Spannung von in+ zu in- positiv ist, dann steigt die 
Ausgangsspannung immer weiter an. Das ist dir  vermutlich schon halbwegs 
klar.

Bei der ersten Schaltung bewirkt ein Ansteigen der Ausgangsspannung eine 
Verrinngerung der Differenz von in+ zu in-, das ist die Gegenkopplung.
In der zweiten Schaltung invertiert der Transsitor die Verhältnisse. 
Eine steigende Ausgangsspannung des OPV, steuert den Mosfet weiter zu 
(sperrend) und damit wird die Differenz noch größer, also ist das hier 
eine Mitkopplung.

von Bernhard (bernhard_123)


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Wie Benjamin bereits erläutert hat, der MOSFET M2 invertiert die 
Richtung der Spannungsänderung. Deshalb muss man auch das Verhalten des 
Operationsverstärkers U1 invertieren, also die beiden Eingänge 
vertauschen.

Aber: M2 verstärkt zusätzlich, der Regelkreis mit realem 
Operationsverstärker U1 kann dann schwingen.
Du könntest für M2 einen n-Kanal-MOSFET verwenden und Drain mit Source 
tauschen. Dann wird das eine stabilere "Source-Folge-Schaltung" und die 
Eingänge des Operationsverstärkers U1 bleiben wie gezeichnet.

Bernhard

Ergänzung: Oder mit dem p-Kanal-MOSFET: Rsense und Vset am Pluspol von 
V1 anschließen. Jedenfalls Rsense in Reihe zum Source-Anschluss, wenn 
die Schaltung stabil arbeiten und M2 nicht invertieren soll.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Florian B. schrieb:
> Wenn ich das nach üblichem Schema anschließe (so wie im Bild
> dargestellt, also Messwiderstand an In–, Vset an In+), saturiert der
> OpAmp auf 0 V, und es findet keine Regelung statt.

Natürlich nicht.

Es gibt kein 'üblich', es gibt nur richtig.

Und ein P-MOSFET braucht eben eine fallende Gate-Spannung um mehr 
durchzulassen.

Mehr durchlassen soll er wenn die Spannung ab RSense (noch) kleiner ist 
als VSet.

Beitrag #7805599 wurde vom Autor gelöscht.
von Rainer W. (rawi)


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Bernhard schrieb:
> Aber: M2 verstärkt zusätzlich, der Regelkreis mit realem
> Operationsverstärker U1 kann dann schwingen.

Dagegen hilft ein Hochpass in der Gegenkopplung, der die Verstärkung bei 
hohen Frequenzen auf einen niedrigeren Wert begrenzt und dadurch die 
Phasenreserve erhöhen.

p.s.
Wenn du die Regelung prüfen möchtest, liefert ein Rechtecksignal als 
Sollwert relativ wenig Information. Mit größeren Werten für Trise und 
Tfall (z.B. 50ms) siehst du auch, was bei Zwischenwerten passiert.

von Florian B. (srml)


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Vielen Dank an alle für eure schnellen Antworten! Bitte entschuldigt 
meine sehr späte Antwort.

Ich hatte nicht verstanden, wie sich der OPV genau verhält. Mir war 
bewusst, dass der P-MOSFET die Beziehung von OPV-Ausgangsspannung zu 
Spannung über R_sense invertiert. Ich ging aber davon aus, dass er die 
Differenz zwischen beiden Eingängen minimiert, unabhängig davon in 
welche Richtung sich der Output des OPV dafür ändern muss. Eure 
Antworten und eine kurze Lektüre über die Funktionsweise des OPV haben 
das Missverständnis aufgeklärt.

@Rainer W.: Danke für die Schaltung mit der Dämpfung und den Hinweis mit 
der Testspannung. Ich gehe davon aus, dass noch ein kleiner Fehler drin 
ist: Der RC Filter muss an den Feedback Knoten (Rsense) statt an Vset. 
Dann funktioniert es auch in der Simulation.

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