OPV-Schaltung / LTspice

[Peter (david_h88)]

Hey Leute,

ich habe eine ganz einfache OPV-Schaltung, die ich in LTspice 24.1.4 
simulieren möchte. Leider erscheint immer die Fehlmeldung "This 
sub-circuit name is not defined.
X§U2 N003 0 N001 N004 N002 opamp2". Muss eventuell noch eine Library 
eingebunden werden, oder womit hängt dies zusammen? Vielen Dank für eure 
Hilfe!!
                          ^^^^^^^

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

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. (hhinz)]

Ist grausam.


Und:
Beitrag "Re: Dimensionierung Basisschaltung"

[Hannes J. (Firma: _⌨_) (pnuebergang)]

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

[Tobias (code_red)]

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.

[Rainer W. (rawi)]

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.

[Lutz V. (lvw)]

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.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

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?

[Lothar (Firma: HZB) (analog_art)]

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?

[Andreas S. (igel1)]

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

[Lutz V. (lvw)]

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.

[Lothar (Firma: HZB) (analog_art)]

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.

[Lothar (Firma: HZB) (analog_art)]

@ Peter -

soll die Schaltung DC-tauglich ein?

Was ist am Ausgamg angeschlossen?

[Rainer W. (rawi)]

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.

[Andreas S. (igel1)]

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

[Lutz V. (lvw)]

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?

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Lutz V. schrieb:
> Ist das bei LTspice ähnlich?

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

opamp
UniversalOpAmp
UniversalOpAmp1
UniversalOpAmp2
UniversalOpAmp3
UniversalOpAmp3a
UniversalOpAmp3b
UniversalOpAmp4

Diese Modelle reichen von ziemlich idealisiert bis fast schon real:

opamp:

"Ideal single-pole operational amplifier."

Parameter:

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:

Avol=1Meg GBW=10Meg Slew=10Meg
Ilimit=25m Rail=0 Vos=0 Phimargin=45
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.

[Hannes J. (Firma: _⌨_) (pnuebergang)]

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.

[Andreas S. (igel1)]

Hannes J. schrieb:
> Er ist nach seinem Eingangsposting nicht mal mehr im Thread aufgetaucht.

Nach Diktat verreist :-)

[Rainer W. (rawi)]

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.

[Lutz V. (lvw)]

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.

[Peter (david_h88)]

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!

[Jens G. (jensig)]

Peter schrieb:
> ausgelöst durch den Biasstrom sorgen

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

[Lutz V. (lvw)]

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.)

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

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.