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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Differenzverstärker (Grundlagen)


Autor: Alex Bürgel (Firma: Ucore Fotografie www.ucore.de) (alex22) Benutzerseite
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Guten Morgen!
Mit analogen Schaltungen kenne ich mich bisher leider noch nicht so gut 
aus.
Hoffe, das ändert sich bald!

Ich habe mir eine Schaltung aufgebaut mit einem Fototransistor und einer 
IR Diode die auf den Transistor gerichtet ist. Hinter dem Transistor 
habe ich einen Widerstand angebracht und messe nun die Spannung über dem 
Widerstand.
Die Spannung variiert je nachdem wieviel Licht der IR Diode auf den 
Transistor kommt zwischen 0,36V und 3,18V (Bei 3,3V Betriebsspannung). 
Mich interessiert aber nur der Bereich zwischen 3,10V und 3,18V.

Ich möchte also das Signal zwischen 3,1V und 3,18V verstärken, damit ich 
es mit einem AD Wandler gut lesen kann.
Ich wollte daher einen Differenzverstärker aufbauen mit Referenzspannung 
von 3,0V.

Ziel soll es jetzt sein: Wenn die Fotospannung 3,1V beträgt soll aus dem 
Differenzverstärker 0V rauskommen. Wenn die Fotospannung 3,18V beträgt 
soll aus dem Verstärker 3,3V herauskommen...

Ist ein Differenzverstärker dafür richtig?

Habe mal einen Schaltungsentwurf verfasst, wie er in einer APP-Note von 
National zu finden war.

Das Problem ist jetzt vor allem das finden der Widerstände R1 bis R4.

Laut National.com ist V_Out = ((R1+R2)/(R3+R4))*R4/R1*V2-R2/R1*V1


Über Tipps oder Alternativvorschläge würde ich mich sehr freuen!

Schöne Grüße,
Alex

Autor: Stefan (Gast)
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Schau mal unter "Schmitt-Trigger" nach, das ist das was du suchst.

http://de.wikipedia.org/wiki/Schmitt-Trigger

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Das ist kein richtiger Differenzverstärker, der hätte ja zwei Eingänge. 
Erst mal die Spannungsverstärkung:
0,08V Änderung am Eingang sollen 3 V am Ausgang ändern, das ist ein 
Faktor 37,5. Verstärkung nicht invertierend, also ist das 
verstärkungsbestimmende Widerstandsverhältnis 36,5 ( 1+R2/R1 )
Aus der Tabelle
http://www.mikrocontroller.net/articles/E24-Teiler
Kehrwert bilden, da größer1 , mit 10 multipliziert da dann kleiner 0,1: 
1/3,65=0,274 da liegen am nächsten diese beiden Normwerte:
0.2733 =  82/ 300  0.2750 =  33/ 120
also 30 kOhm / 820 Ohm = 36,58  oder 12 kOhm / 330 Ohm = 36,36
jetzt muß noch der DC-Offset addiert werden.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Schmitt-Trigger macht ein Digitalsignal draus, da kann er nichts mehr 
messen

Autor: Alex Bürgel (Firma: Ucore Fotografie www.ucore.de) (alex22) Benutzerseite
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Hallo Christoph,

>Erst mal die Spannungsverstärkung

Da meinst du einen normalen Verstärker,oder? Das ist mir soweit klar. 
Allerdings kann ich den in meinem Fall ja nicht so einfach anwenden.

Die negative Versorgungsspannung des Op-Amp sind ja 0V, d.h. egal, ob 
ich jetzt 3,10V oder 3,18V an den Eingang des Op's legen würde, er würde 
dann immer in die Sättigung = 3,3V gehen. Oder?

Was ich brauche ist doch eine Schaltung in der ich die Differenz 
zwischen meinem Messsignal (3,1 bis 3,18V) bezogen auf eine 
Referenzspannung von z.B. 3,0V anlegen kann. Und nur diese Differenz am 
Ausgang bezogen auf GND um den Faktor 10 o.ä. verstärke.

Autor: Stefan (Gast)
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...

> Ziel soll es jetzt sein: Wenn die Fotospannung 3,1V beträgt soll aus dem
> Differenzverstärker 0V rauskommen. Wenn die Fotospannung 3,18V beträgt
> soll aus dem Verstärker 3,3V herauskommen...

hört sich für mich nicht mach Messen an, sondern nach Schmitt-trigger...

Gruss

Autor: Alex Bürgel (Firma: Ucore Fotografie www.ucore.de) (alex22) Benutzerseite
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Das sollten nur die Eckdaten sein. Ich würde gerne den Messbereich von 
3,1V bis 3,18V abbilden auf die Versorgungsspannung von GND bis 3,3V.
Da habe ich mich vielleicht etwas undeutlich ausgedrückt.
Dennoch danke für das Interesse bisher!
Ich hoffe die Problematik ist jetzt etwas verständlicher.

Autor: Stefan (Gast)
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kein Prob. Dann doch lieber was analoges nehmen...

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Ich hab das mal aufgezeichnet, so soll es aussehen. Es gibt einen Punkt 
, schon außerhalb des gewünschten Bereichs, bei etwa 3,185V, wo Ein- und 
Ausgangsspannung gleich sind. Damit fließt durch den 
Gegenkopplungswiderstand ( oben erstes Beispiel 30 kOhm) kein Strom, 
also ist auch der Wert dieses Widerstands egal.Damit vereinfacht sich 
die Berechnung des Spannungsteilers, der den DC-Offset bewirken soll. 
Der 820 Ohm-R wird jetzt aufgeteilt in zwei AC-mäßig parallelliegende 
Spannungsteilerwiderstände, die die Betriebsspannung oder besser eine 
stabile Referenzspannung auf eben diese 3,185V herunterteilen, wobei 
1/Ra+1/Rb gleich 1/820 Ohm sind. Die Schaltung besteht also nur aus 
einem OP und drei Widerständen.

Autor: Stefan (Gast)
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Geht einwandfrei mit Operationsverstärker.
Google mal nach Instrumentenverstärker, da findest du 
Schaltungsbeispiele.

Der OP-AMP muß entweder vom Spannungspotential deines Fototransitors 
unabhängig bleiben, oder mit seinem "Nullpotential" mit deinem 
gewünschten Messpunkt verbunden werden.

Gruß
Stefan

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Wenn ich mich nicht verrechnet habe, sieht die Minimalschaltung so aus, 
Abblock-Cs nicht gezeichnet.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Allerdings geht der LM358 nicht gern unter +0,7V am Ausgang, ein 
rail-to-rail OP wie TS912 wäre besser
http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/...

Autor: Thomas O. (kosmos)
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auf jedenfall mal ein Rail to Rail AMP damit kommst du annähernd an 3,3V 
heran. Besser wäre es aber wenn du den Verstärker mit einer höheren 
Spannung betreiben könntest.

Ansonsten deine Messspannung an den positiven Verstärkereingang und die 
3,1V an den negativen geben. So wird von deiner Messpannung immer 3,1V 
abgezogen und nur der Rest halt verstärkt und dann noch die Rückkopplung 
vom Verstärkerausgang zum negativen Eingang um den Faktor einzustellen.

Autor: yalu (Gast)
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Hier ist noch eine andere (ungetestete) Alternative (s. Anhang).

Diese Schaltung hat den Vorteil, dass die Kollektor-Emitter-Spannung
am Fototransistor konstant ist. Dadurch wird der Miller-Effekt
weitgehend unterdrückt, so dass die Schaltung auch bei höheren
Frequenzen noch einigermaßen funktioniert (falls das für dich
überhaupt wichtig ist, bei Frequenzen deutlich unter 1KHz macht sich
der Miller-Effekt kaum bemerkbar).

Die Ausgangsspannung UA hängt vom Kollektorstrom IC des
Fototransistors und der Betriebsspannung UB wie folgt ab:

  UA = IC * R2 + UB * (R1  R4 - R2  R3) / (R1 * (R3 + R4))

Dimensionierung der Widerstände:

- Zuerst wird mit dem Spannungsteiler R3/R4 die Spannung am positiven
  Eingang des Opamps und damit UCE des Fototransistors festgelegt.
  Diese Spannung ist unkritisch und sollte irgendwo innerhalb des
  zulässigen Eingangsspannungsbereichs des Opamps liegen. Ein Wert im
  oberen Bereich ist zu bevorzugen, da er prinzipiell die Kapazität
  der Fotodiodenstrecke innerhalb des Fototransistors verringert und
  damit das Frequenzverhalten weiter verbessert.

- R2 bestimmt den Verstärkungsfaktor DeltaUA / DeltaIC:

    R2 = 3,3V / (ICmax - ICmin) = 3,3V * Rb / (3,18V - 3,1V)

  Rb ist dabei der Widerstand, den du bisher in Reihe zum
  Fototransistor geschaltet hast.

- R1 wird nun so gewählt, dass für IC = ICmin = 3,1V/Rb und die bisher
  gewählten Werte für R2, R3 und R4 die Ausgangsspannung UA = 0 wird.

Autor: yalu (Gast)
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Ach ja: Nachdem du dich für ein UCE und damit für das Verhältnis R3/R4
entschieden hast, bleibt noch ein Freiheitsgrad bei der Wahl von R3
und R4 übrig. Wählst du sie so, dass R3||R4 = R1||R2 ist, sind die
beiden Eingangsströme am Opamp gleich, was den Offsetfehler der
Schaltung reduziert und das Ganze noch etwas durchdachter wirken lässt
:-)

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