OPV-Schaltung / LTspice

Peter schrieb:

ich habe eine ganz einfache OPV-Schaltung, die ich in LTspice 24.1.4 simulieren möchte.

Auch wenn ich gerne würde: ich kann nicht helfen, weil ich grade nur das Handy zur Hand habe und da LTSPice nicht drauf läuft. Wie mir wäre ein Screenshot (im PNG oder GIF Format) sicher auch anderen potentiellen Helfern hilfreich.

H. H. schrieb:

Ist grausam.

Das ist Schaltung des TS? Auch du meine Güte. Da stimmt ja gar nichts.

An den TS:

1. Öffne in LT Spice Hauptmeü folgendes:

File -> Open Exmples -> Educational -> UniversalOpAmp2.asc

und schau dir das GENAU an.

2. Eine gute Einführung über OpAmps lesen. Nicht irgend welcher zufälliger Arduino-Müll. Wenn kein gutes Buch, dann wenigstens so etwas wie https://www.mikrocontroller.net/attachment/51476/slod006b.pdf

Verwende statt dem generischen/ idealisierten Opamp2 Model einen virtuellen Nachbau eines realen OPV.

Das die Schaltung generell Murks ist wurde ja schon erwähnt. Warum ist die negative Versorgungsspannung z.B. am V+ Supply? Naja.

Peter schrieb:

ich habe eine ganz einfache OPV-Schaltung

Was soll diese Schaltung machen?

Bevor du irgendeine sinnvolle Aktion vom OP erwarten kannst, muss wenigstens die Versorgungsspannung richtig gepolt sein. Nimm z.B. den OP erstmal raus und guck dir an, was du für Spannungen vorliegen hast.

Peter schrieb:

Hey Leute,

ich habe eine ganz einfache OPV-Schaltung, die ich in LTspice 24.1.4 simulieren möchte.

Zunächst sollte man sich auch darüber klar werden, was bzw. welche Eigenschaften man denn "simulieren" (messen) möchte. Dadurch wird nämlich eine sinnvolle Simulationsumgebung (Beschaltung) festgelegt.

H. H. schrieb:

Ist grausam.

Tatsächlich. Absolut kein Lernfortschritt erkennbar. Oder wieso sonst muss ich 2x genau dieselbe Antwort schreiben?

Tobias schrieb:

Warum ist die negative Versorgungsspannung z.B. am V+ Supply? Naja.

Und die positive an der V- Versorgung?

Hallo Peter, da Du offensichtlich Null Ahnung hast - sollte man mit den Grundlagen beginnen, z.B. hier:

https://www.batronix.com/versand/know-how/op-amp.html

https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/opa1.htm

Dann statt eines Universal-OPV z.B. einen AD 711 wählen. Vernünftige Grundbeschaltung wählen, d.h. invertierend oder nichtinvertierend. Verstärkung über die Widerstände einstellen, Grenzfrequenzen über Kondensatoren festlegen etc. und dann erst eventuell hier noch mal nachfragen.

Und dann genauer angeben:

• WAS - willst Du
• wie erreichen (Speisepannung, Ströme, Ausgangspegel, Impedanzen etc.)
• welche Parameter sind wichtig bzw. gefordert?

Hallo Peter,

meine Vorredner weisen alle darauf hin, dass Deine OpAmp-Schaltung irgendwie keinen richtigen Sinn ergibt und dass Du Dir erst einmal ein paar OpAmp-Grundlagen aneignen solltest. Damit haben sie natürlich recht.

Ich denke jedoch, dass Du genau das gerade tun willst - nämlich Dir Grundlagen beibringen - und parallel dazu Dein gelerntes Wissen auch gerne einmal in einer LTspice-Simulation verproben möchtest.

Und jetzt scheiterst Du an diesem - zugegebenermaßen - nicht ganz intuitiven LTspice-Programm. Das jedenfalls sagt mir meine Glaskugel. Dabei warst Du eigentlich schon ganz nah dran ...

Ich habe daher an Deiner Simulation 3 kleine Änderungen vorgenommen - dann funktioniert's (wenngleich die Schaltung als solches natürlich immer noch nicht wirklich sinnvoll ist - aber das weißt Du sicherlich selbst).

Viele Grüße

Igel1

PS: verprobt in LTspice 17.2.4 - hatte gerade nichts anderes zur Hand

Lothar schrieb:

Dann statt eines Universal-OPV z.B. einen AD 711 wählen.

Andreas S. schrieb:

Ich habe daher an Deiner Simulation 3 kleine Änderungen vorgenommen -

(Universal-OP gewählt)

Jetzt könnte ein Anfänger etwas verwirrt sein - warum unterschiedliche Empfehlungen und: Wo ist der Unterschied?

Antwort:

1. Ein reales OP-Modell beinhaltet auch immer die in der Realität nie zu vermeidenden Unsymmetrien in dem komplexen Modell mit dem Ergebnis, dass die DC-Ausgangsspannung nicht Null ist, wenn beide Eingänge auf Null Volt liegen (keine Differenzspannung). Das führt zu der sog. "Eingangs-Offsetspannung Uo" (typischerweise im unteren mV-Bereich).

Beispiel: Wenn nun Uo=1mV mit 100.000 verstärkt wird (typische DC-Verstärkung eines OP) würden am Ausgang 100V liegen. Folge: Kein Betrieb möglich, der OP ist in der Begrenzung. Deshalb muss so ein realistisches OP-Modell immer mit Gegenkopplung betrieben werden (Verstärkungs-Reduzierung).

2. Beim Universal-Modell gilt das alles nicht, da dieses einen idealisierten OP darstellt, der am Ausgang wirklich Null Volt ausgibt, wenn am Eingang die Differenzspannung 0V anliegt. Hier kann man also auch ohne Gegenkopplung im linearen Verstärkungsbereich arbeiten bzw. simulieren.

Andreas S. schrieb:

Ich habe daher an Deiner Simulation 3 kleine Änderungen vorgenommen - dann funktioniert's (wenngleich die Schaltung als solches natürlich immer noch nicht wirklich sinnvoll ist - aber das weißt Du sicherlich selbst).

Viele Grüße

Igel1

Hallo Igel, deine Schaltung hat keine Gegenkopplung und verstärkt deshalb alles mit der vollen Leerlaufverstärkung des OPV. In der Praxis heißt das: Schwingen, aber wahrscheinlicher hängt der Ausgang in Richtung einer Speisespannung fest, weil die real immer auftretende Offsetspannung am Eingang voll verstärkt wird und somit den OPV in die Sättigung treibt. Schon allein deshalb ist irgendein realer OPV-Typ geeigneter, um Schwachstellen einer Schaltung zu finden, als ein idealer OPV.

Wenn man den invertierenden Eingang(- Eingang) mit dem Ausgang (und nicht mit Masse) verbindet, ergibt das einen Buffer = Impedanzwandler (hochohmiger Eingang und niederohmiger Ausgang) mit Spannungsverstärkung eins.

Aber Du hast schon mal geholfen...

Und auch zu LTSpice gibt es massenhaft Hilfen im Netz und auch bei Youtube finden sich einige gute Tutorials. Aber da kann Peter ja mal selber googeln.

@ Peter -

soll die Schaltung DC-tauglich ein?

Was ist am Ausgamg angeschlossen?

Lothar schrieb:

soll die Schaltung DC-tauglich ein?

Was ist am Ausgamg angeschlossen?

Bevor du in solche Details gehst, lass Peter doch erstmal sagen, was die Schaltung überhaupt tun soll - so ganz grundlegend.

Also Mädels und Männers, Ihr habt ja alle recht, dass echte Mädels/Männer für "echte" Schaltungssimulationen auch "echte" OpAmp-Modelle eines realen, käuflichen OpAmps nehmen sollten, ABER:

Meine Annahme war, dass sich der TO gerade in das Thema Operationsverstärker einarbeitet und dazu gerne mit einem OpAmp in der Simulation "herumspielen" möchte.

Und dafür eignen sich m.M.n. ideale OpAmps (habe mir auch nur den Erstbesten gegriffen) deutlich besser: man kann dann erst einmal die Formeln - z.B. diejenigen der OpAmp-Grundschaltungen (https://www.mikrocontroller.net/articles/Operationsverst%C3%A4rker-Grundschaltungen) mit der idealen Simulation vergleichen, bevor man auf die harte Realität stößt, die da lautet:

• Verstärkung ist in der Realität nicht unendlich und auch nicht linear.

• In der Realität ist bei der Versorgungsspannung (oder sogar schon deutlich darunter) Schluss mit Verstärkung, oder im Klartext: die Ausgangsspannung ist gedeckelt

• In der Realität darf die Eingangsspannung nur in gewissen Bereichen liegen, sonst gibt's teils lustige Effekte

• Ach ja - und Versorgungsspannungsänderungen haben auch so ihre Auswirkungen (PSRR).

• Die Eingangsimpedanz ist in der Realität nicht unendlich

• Die Ausgangsimpedanz ist in der Realität nicht Null

• Und dann fließen da manchmals auch so doofe, winzige Ströme in den Eingang rein oder raus

• Es gibt die bösen Offsetspannungen in der Realität, wirklich böse

• Bandbreitenverstärkung ist dummerweise in der Realität nicht infinit

• Und die Anstiegsrate (Slew rate) ist auch begrenzt - so'n Pech

• CMMR (Gleichtaktunterdrückung) ist in der Realität auch nicht Null - so ist das mit der Unterdrückung - kennen die meisten ja von zu Hause :-)

• Und rauschen tun die Dinger ebenfalls in der Realität - so'n Mist

• und, und, und - bestimmt hat mein AI-Freund noch die Hälfte vergessen ...

Und genau das möchte ich (und evtl. auch der TO) alles nicht beachten, wenn ich bzw. er seine Grundschaltungen mit einem OpAmp in LTspice simuliert.

Und genau daher fiel meine Wahl auf einen idealen statt eines realen OpAmps. Die Realität holt einen noch früh genug ein :-)

Viele Grüße

Igel1

Andreas S. schrieb:

Und genau daher fiel meine Wahl auf einen idealen statt eines realen OpAmps. Die Realität holt einen noch früh genug ein :-)

OK - ich stimme Dir voll zu. Allerdings sollte der TO dabei dann auch wissen, wo die Hauptunterschiede zwischen real und ideal liegen - Du bist dankenswerterweise ja auch ausführlich drauf eingegangen. Genau das - allerdings deutlich weniger ausführlich - habe ich auch bezweckt mit meinem Beitrag (heute 12:02), den ein ganz schlaues Forumsmitglied meinte negativ bewerten zu müssen. (Ob der auch in der Lage war, einen positiven/hilfreichen Beitrag zu leisten?).

PS: In PSpice hat das Idealmodell ("opamp") eine wählbare und intern eingebaute duale Spannungsversorgung und auch eine wählbare konstante (frequenz-unabhängige) offene Verstärkung (z.B 60 dB). Ist das bei LTspice ähnlich?

Lutz V. schrieb:

Ist das bei LTspice ähnlich?

In LTspice gibt es mehrere generische (d.h. nicht einem spezifischen Typ zugeordnete) Opamp-Modelle:

1

opamp

2

UniversalOpAmp

3

UniversalOpAmp1

4

UniversalOpAmp2

5

UniversalOpAmp3

6

UniversalOpAmp3a

7

UniversalOpAmp3b

8

UniversalOpAmp4

Diese Modelle reichen von ziemlich idealisiert bis fast schon real:

opamp:

"Ideal single-pole operational amplifier."

Parameter:

1

Avol=1Meg GBW=10Meg Slew=10Meg

UniversalOpAmp4:

"A two pole op amp with virtual ground, input and output impedance, programmable phase margin, slew rate limit, and output voltage and current limit."

Parameter:

1

Avol=1Meg GBW=10Meg Slew=10Meg

2

Ilimit=25m Rail=0 Vos=0 Phimargin=45

3

En=0 Enk=0 In=0 Ink=0 Rin=500Meg Ro=1k Ccm=1p Cdiff=2p

Jeder der genannten Parameter ist dabei beliebig änderbar (die angegebenen Werte sind die Defaults).

Diese Modelle eignen sich sehr gut, um mit sich den Eigenschaften von Opamps vertraut zu machen.

Um bspw. den Einfluss der Offsetspannug zu demonstrieren, setzt man für alle Parameter ideale Werte ein mit Ausnahme von Vos. Für Vos wählt man einen übertrieben großen Wert, so dass sehr deutlich wird, wie er sich auf die Ausgangsspannung auswirkt.

Als nächstes möchte man vielleicht die Slewrate verstehen. Um ihren Effekt isoliert betrachten zu können, setzt man Aol auf einen sehr hohen (also praktisch unendlichen) und die Slewrate auf einen übertrieben niedrigen Wert.

Mit den typspezifischen Modellen geht dies nicht, weil dort das Verhalten des Opamps von sehr vielen (nicht änderbaren) Parametern gleichzeitig beeinflusst wird.

Yalu X. schrieb:

Diese Modelle eignen sich sehr gut, um mit sich den Eigenschaften von Opamps vertraut zu machen.

Wenn man sich mit den Eigenschaften vertraut machen möchte. Ich sehe nichts im Posting und Verhalten des TS dass er das ernsthaft möchte. Er ist nach seinem Eingangsposting nicht mal mehr im Thread aufgetaucht.

Hannes J. schrieb:

Er ist nach seinem Eingangsposting nicht mal mehr im Thread aufgetaucht.

Nach Diktat verreist :-)

Lutz V. schrieb:

PS: In PSpice hat das Idealmodell ("opamp") eine wählbare und intern eingebaute duale Spannungsversorgung und auch eine wählbare konstante (frequenz-unabhängige) offene Verstärkung (z.B 60 dB).

Bei einem normalen OpAmp sinkt die Verstärkung grundsätzlich mit 20dB pro Dekade. Sonst ließe sich der Parameter Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBW oder GBP) gar nicht als frequenzunabhängige Größe definieren. Das hat nichts mit real oder ideal zu tun, sondern dient ganz grundlegend der Stabilität bei Gegenkopplung.

Glaub der Google-KI kein Wort, wenn sie einerseits behauptet, dass ein idealer OpAmp alle Frequenzen gleich stark verstärkt und ein paar Absätze später als Merkmale des Frequenzgangs aufführt: "Das GBP ist ein wichtiger Parameter, der das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite eines OpAmps angibt. Es ist oft konstant über einen großen Frequenzbereich."

Bei Komparatoren sieht das anders aus.

Rainer W. schrieb:

Bei einem normalen OpAmp sinkt die Verstärkung grundsätzlich mit 20dB pro Dekade. Sonst ließe sich der Parameter Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBW oder GBP) gar nicht als frequenzunabhängige Größe definieren.

Auch bei einem Frequenzgang mit zwei Polen (oberhalb von 0dB) - also mit einem Abfall, der sich dem Wert 40dB/Dek beim Null-Durchgang nähert, wird das GB-Produkt oft angegeben im Datenblatt. Dann muss man eben nur wissen (was ja aus der Darstellung der offenen Verstärkung hervorgeht), dass diese Zahl eben nicht über den gesamten Verstärkungsbereich Gültigkeit hat (sondern nur für den Bereich mit 20dB/Dek).

So sollte man ja auch generell beim Arbeiten mit dem Datenblatt wissen, was die einzelnen Positionen/Parameter eigentlich bedeuten und für welche Randbedingungen (Mess-Bedingungen) diese Gültigkeit haben.

Vielen Dank für eure schnellen Antworten, die ich interessiert und aufmerksam gelesen habe.

Bevor du in solche Details gehst, lass Peter doch erstmal sagen, was die Schaltung überhaupt tun soll - so ganz grundlegend.

Derzeit bin ich dabei, einen Integrator mit verschieden Spannungsquellen zu simulieren. Das Verhalten der Schaltung nach Stimulation mit einer Pulse-Spannungsquelle ist dabei nachvollziehbar (Siehe Dateien Integrator). Nicht erklären kann ich mir, warum in Schaltungen mit Stimulation durch eine Sinusquelle ein Widerstand an den in den nichtinvertierenden Zweig (i.d.F. R2 => Siehe Dateien Integrator_1) gelegt wird? Soll dies manachmal für ein gewissen Potential an den nicht invertieren Eingang ausgelöst durch den Biasstrom sorgen? Ansonsten fließt ja eigentlich kein Strom durch diesen Zweig und ist ergo nicht notwendig.

Vielen Dank für eure Expertise!

Peter schrieb:

ausgelöst durch den Biasstrom sorgen

Und reicht das nicht als Grund? Was würde das für einen Spannungsabfall ergeben an einem unendlichen Widerstand?

Peter schrieb:

Nicht erklären kann ich mir, warum in Schaltungen mit Stimulation durch eine Sinusquelle ein Widerstand an den in den nichtinvertierenden Zweig (i.d.F. R2 => Siehe Dateien Integrator_1) gelegt wird? Soll dies manachmal für ein gewissen Potential an den nicht invertieren Eingang ausgelöst durch den Biasstrom sorgen? Ansonsten fließt ja eigentlich kein Strom durch diesen Zweig und ist ergo nicht notwendig.

Genauso ist es ! So ein Widerstand soll den Einfluss der kleinen fließenden Eingangsströme (besser: deren Unterschied) auf den DC-Arbeitspunkt (am Ausgang) minimieren. Normalerweise ist das aber überflüssig - total unnötig bei idealen OP-Modellen.

ABER: Für den Fall eines realen OP-Modells (mit "eingebauter", also berücksichtigter) Offsetspannung Uo ist es wichtig, zum Rückkopplungs-Kondensator einen Widerstand Rp parallel zu schalten. Ansonsten geht die Schaltung wegen der fehlenden DC-Gegenkopplung in die Sättigung (DC-Verstärkung identisch zur DC-Offenen Verstärkung Aoo). Dadurch wird natürlich der Integrationsbereich eingeschränkt - die Schaltung ist jetzt zum Tiefpass degeneriert. Integration nur noch weit genug oberhalb der Grenzfrequenz möglich - bis der OP-Verstärkungsabfall die obere Grenze setzt. Der Widerstand Rp sollte natürlich möglichst groß sein (kleine Grenzfrequenz).

Beispiel: Offsetspannung Uo=1mV; Aoo=100dB (1E5) ; Erlaubter Ausgangs-Offset 1V. Deshalb: Ao=-Rp/R1=1mV/1V=1000 >>> Rp=1000*R1.

(Das Ganze aber nur nötig bei Solo-Betrieb der Schaltung. Beim praktischen Einsatz des Integrators in der Regelungstechnik und/oder Filter-/Oszillatortechnik (in einer geschlossenen übergeordneten Schleife) ist Rp nicht nötig.)

Peter schrieb:

Das Verhalten der Schaltung nach Stimulation mit einer Pulse-Spannungsquelle ist dabei nachvollziehbar (Siehe Dateien Integrator).

Differentiation der Eingangsspannung wie erwartet

Erst einmal solltest du dich entscheiden, ob du eine Integration oder eine Differentiation des Eingangssignal erwartest.

Dann solltest du überlegen, wie das Ausgangssignal (das aus dem Eingangssignal durch Integration bzw. Differentiation entsteht) theoretisch (also rein mathematisch, ohne Berücksichtigung irgendwelcher Schaltungseigenheiten) aussehen sollte.

Für mich sieht das, was in der Simulation herauskommt, weder wie das eine noch wie das andere aus, nicht einmal ansatzweise. Deswegen wundert es mich etwas, dass für dich das Ergebnis nachvollziehbar ist.

Der nächste Schritt wäre dann zu überlegen, woher diese Diskrepanz kommt. Tipp: Es liegt nicht an der Simulation, eine real aufgebaute Schaltung würde sich ganz ähnlich verhalten.

Okay! Veielen Dank!

Für mich sieht das, was in der Simulation herauskommt, weder wie das eine noch wie das andere aus, nicht einmal ansatzweise. Deswegen wundert es mich etwas, dass für dich das Ergebnis nachvollziehbar ist.

Der nächste Schritt wäre dann zu überlegen, woher diese Diskrepanz kommt. Tipp: Es liegt nicht an der Simulation, eine real aufgebaute Schaltung würde sich ganz ähnlich verhalten.

Hmmm....das Signal von Integrator.png wird sicherlich nur über einen begrenzten Zeitraum integriert (noch dazu 0V), bevor die Ausgangspannung wieder die Sättigungsgrenze erreicht. Erklären kann ich mir das nicht?....mit Stimulation durch ein Sinussignal funktioniert die Schaltung ja. Auch ein parallel geschalteter Widerstand führt zu keinen Verhalten, was einer Integration des Eingangssignals entspricht.

Habe zwischenzeitlich auch mal einen Differenzierer simuliert. Auch wieder mit Pulse-und Sinusquelle. (Siehe Anhang Differenzierer ). Die Schwingung, welche nach Integration des Pulses zu sehen ist, hängt ja sicher mit den Mitkopplungseffekt des Widerstandes zusammen, welcher das OP-Modell zum schwingen anregt? Dieses Verhalten lässt sich ja mit einen in Reihe zum Kondensator geschalteten Widerstand verbessern. Nochmals vieln Dank!!