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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM -> Analog schwingt


Autor: Mark K. (Gast)
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Mahlzeit,

hab mir eben eine PWM gesteuerte Spannung simuliert.
Leider schwingt der Ausgang etwas. Hab schon an verschiedenen Stellen 
nen Kondensator eingefügt und getestet - ohne Erfolg.

Die Simulation wurde mit TARGET 3001 durchgeführt.
Die PWM wird mit einer Puls-Spannungsquelle mit 10 kHz simuliert.

Autor: Mark K. (Gast)
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Noch was:
Die Spannung über dem Lastwiderstand mit 10 Ohm schwingt mit einer 
Spitze-Spitze Spannung von 40mV. Das ist nicht viel, aber wenn ich es 
kleiner bekomme ist es natürlich auch nicht schlecht.

Ich habe diese Schaltung gewählt, dass mein "Lastwiderstand" Massebezug 
hat.

Autor: 6632 (Gast)
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Natuerlich schwingt das. Kapazitive Last und Mitkopplung.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Mark K. (Gast)

>Die Spannung über dem Lastwiderstand mit 10 Ohm schwingt mit einer
>Spitze-Spitze Spannung von 40mV. Das ist nicht viel, aber wenn ich es
>kleiner bekomme ist es natürlich auch nicht schlecht.

Wozu soll C2 gut sein? Die 40mV könnten ein Rest von der PWM-Filterungs 
sein. Schau dir mal das geglättete PWM-Signal am OPV-Eingang an.

MfG
Falk

Autor: Mark K. (Gast)
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Das Signal am invertierenden Eingang sieht gut aus (Sägezahn-ähnlich mit 
ca. 0,5V Spitze-Spitze.

C2 hab ich aus ner ähnlichen Schaltung übernommen.
Ohne den Schwingt sich die Ausgangsspannung erst richtig auf.

Eigentlich soll die Schaltung später mal einen 12V Lüfter ansteuern. Ich 
hoffe, dass die induktive Last nicht zu großen Schwingungen führt.
Kann man einen Motor simulieren?

Autor: Mark K. (Gast)
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Um so kleiner der Lastwiderstand wird, desto größer werden die 
Schwingungsspitzen. Könnte es sein, dass der LM324 nicht optimal hierfür 
ist?

Autor: Capitän Ahab (Gast)
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Schau dir mal die Schwingung direkt am Ausgang des OP's an.

Um diese Schwingung dann zu beseitigen

1. lege zwischen den Kondensator C1 und den Minus-Eingang des OP's einen 
Widerstand 1k.
2. lege einen 1n Kondensator direkt vom Ausgang des OP's direkt zum 
Minus-Eingang des OP's.


Das Ergebnis dann bitte nochmal hier posten.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Mark K. (Gast)

>Das Signal am invertierenden Eingang sieht gut aus (Sägezahn-ähnlich mit
>ca. 0,5V Spitze-Spitze.

Das nennst du gut? Das nenn ich gottig! Der Filter soll glätten, dh.h 
der Säghezahn sollte sehr klein sein, Eher so 10mV und weniger. Denn 
deine 0,5V vesucht der OPV zu verstärken. Nur der Kondensator hat da was 
dagegen.
Das filtern muss besser werden. Siehe

http://www.mikrocontroller.net/articles/Pulsweiten...

>C2 hab ich aus ner ähnlichen Schaltung übernommen.
>Ohne den Schwingt sich die Ausgangsspannung erst richtig auf.

Was ja logisch ist, wenn 0,5V Sägezahn am Eingang liegen.

MFG
Falk

Autor: Mark K. (Gast)
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Entschuldigt vielmals.
Am invertierenden OP Eingang ist die Spitze-Spitze Spannung nicht 0,5V 
sondern 0,5mV - hab mich verschrieben. Das sollte eigentlich recht gut 
sein.

Habe mal die Änderungen vorgenommen. An der "rauhen" Spannung über R5 
ändert dies aber nichts. Spitze-Spitze immer noch ca. 40mV

Die Spannung an OPout ist ebenfalls ne Berg- und Talfahrt mit 
Spitze-Spitze von ca. 0,6V.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Arbeite doch mit mehreren R/C-Filtern hintereinander und wähle für den 
OV die Verstärkung 1 (invertierenden Eingang direkt an den Ausgang des 
FET legen). Der OV sollte vorzugsweise eine Rail-To-Rail-Typ sein oder 
eine (ausreichende) negative Versorgungsspannung bekommen.

Autor: Mark K. (Gast)
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Das Problem ist nicht die PWM-Filterung.

Was ist ein Rail-To-Rail-Typ. Das sagt mir jetzt nichts.
Ich will halt eine Spannung von 0-12V über R5 über 0-5V PWM einstellen.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Rail-To-Rail OVs sind welche, die mit dem Ausgang (und den Eingängen) 
sehr nahe an die Betriebsspannung heranreichen. Normale OVs haben da 
einen Abstand von mehreren 100mv bis zu einigen V.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Mark K. (Gast)

>Das Problem ist nicht die PWM-Filterung.

Ja.

>Was ist ein Rail-To-Rail-Typ. Das sagt mir jetzt nichts.

Einer, bei dem die Eingangsspannung und Ausgangsspannung bis kann an die 
Versorgungsspannung rankommt.

>Ich will halt eine Spannung von 0-12V über R5 über 0-5V PWM einstellen.

Die Schaltung ist schon richtig. Vielleicht ist es auch nur ein 
Simulationsproblem. Dein R6 und C3 würde ich wieder rausmachen. Und mach 
auch mal C2 raus, die Schaltung muss auch ohne stabli sein.

MfG
Falk

Autor: Capitän Ahab (Gast)
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Also,
1. die Schaltung ohne den 1n Kondensator C3 hat als Analogverstärker 
eine starke Schwingneigung.

2. das Filter am Eingang mit C1 47uF und 2k2 hat eine Grenzfrequenz von
1,5Hz. Danach steigt die Dämfung mit der Frequenz um 6dB pro Oktave an.

Bei 1khz 5Vss am Eingang ist am Ausgang noch 7,7mVss.
Denke diese Restwelligkeit schadet dem Lüfter nix.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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>Das Problem ist nicht die PWM-Filterung.

Es wird zum Problem, wenn der nachgeschaltete OV noch verstärken muß. 
Wenn die Eingangsspannung glatt ist, wird es die Ausgangsspannung um so 
mehr sein.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Travel Rec. (travelrec) Benutzerseite

>Es wird zum Problem, wenn der nachgeschaltete OV noch verstärken muß.
>Wenn die Eingangsspannung glatt ist, wird es die Ausgangsspannung um so
>mehr sein.

Ach ne? Wenn aber nur 0,5mV (Millivolt) Ripple am Eingang sind kommen 
bei Verstärkung von 2,5 nur 1,25mV Ripple am Ausgang raus. Das fällt 
wohl unter ferner liefen.

MFG
Falk

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Richtig. Aber wenn die Simulation da was anderes ausspuckt, würde ich es 
vielleicht doch lieber mal aufbauen und testen, dann weiß man genaueres.

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Beide Eingänge vom OPV tauschen...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Axel Rühl (axelr)

>Beide Eingänge vom OPV tauschen...

Uuups, und keiner hats gesehen. ;-)
Naja, der Kontrast der Screenshot ist auch unter aller Sau (faule 
Ausrede Nr. 123)

MfG
Falk

Autor: 6632 (Gast)
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Hab ich schon im zweiten kommentar benannt : mitkopplung nennt sich das.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ 6632 (Gast)

>Hab ich schon im zweiten kommentar benannt : mitkopplung nennt sich das.

Jaja. Und warum ist dir nicht aufgefallen, dass der nichtinvertierende 
Verstärker falsch aufgebaut ist? Schlaumeier.

MFG
Falk

Autor: Mark K. (Gast)
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Ich kann die Schaltung zwar aufbauen, habe aber kein Oszi um sowas zu 
messen. Ich also leider auf Simulationen angewiesen.

Eingänge tauschen? Ich hab nen P-Kanal MOSFET hinten dran hängen.

Autor: Mark K. (Gast)
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Eingänge hab ich mal getauscht, aber irgendwie funktioniert das Ganze 
nicht richtig. Bei niedrigen Spannungen wie 2V durch PWM hab ich am 
Lastwiderstand nen Rippel von 200mV.
Wenn die Spannung durch PWM erhöht wird (ca. 3V) steigt mir die 
Simulation aus, bzw. für die rückführende Leitung werden 0V angezeigt.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Mark K. (Gast)

>Eingänge tauschen? Ich hab nen P-Kanal MOSFET hinten dran hängen.

Ahhhh, noch mehr Stolpersteine. Lass das mit dem P-Kanal MOSFET, das ist 
um EINIGES komnplizierter, da geht wirklich ans Eingemachte, 
Reglungstechnik, Phasenreserve etc. Nimm einen normalen NPN Bipolar, 
ggf. Darlington, und die Welt ist in Ordnung. Verlustleistung sparst du 
mit den MOSFET sowieso nicht, ist ja ein Linearverstärker.

MfG
Falk

Autor: Mark K. (Gast)
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Das Problem ist, dass ich die Last gerne auf Masse hätte. Sonst hätte 
ich mir das ganze mit dem P-Kanal natürlich gespart.
Oder meinst du nen NPN in Kollektorschaltung? Da müsste ich dann mal 
schauen, wie hoch ich mit der Spannung im Endeffe kommen kann.
Mit den P-Kanal wäre ich halt -je nach Last- auf fast 12V gekommen.

Naja, für heut reichts auf jeden Fall ;-)

Autor: Andreas K. (a-k)
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Egal ob N- oder P-Kanal: OPVs mögen eine stark kapazitive Last nicht 
sonderlich. Sorgt für merkwürdige Effekte. Und ein Power-MOSFET ist eine 
stark kapazitive Last.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Mark K. (Gast)

>Oder meinst du nen NPN in Kollektorschaltung? Da müsste ich dann mal

Ja.

>schauen, wie hoch ich mit der Spannung im Endeffe kommen kann.

Ca. Vcc-2V.

>Mit den P-Kanal wäre ich halt -je nach Last- auf fast 12V gekommen.

Wenns denn mal stabil läuft . . . ;-)

MfG
Falk

Autor: Mark K. (Gast)
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Mit diesen Werten / Komponenten läuft die Simulation stabil.

Ich denke, dass ich die Schaltung so später auch aufbauen werde.
Hoffentlich liegen Simulation und Realität nicht allzuweit voneinander 
entfernt.


Bei Gelegenheit will ich mir dennoch eine ähnliche Schaltung mit 
Bipolar-Transistoren aufbauen.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Mark K. (Gast)

>Mit diesen Werten / Komponenten läuft die Simulation stabil.

Uhhhh, das sieht mir aber massiv nach Murks aus. 1000uF zum 
"Unsichtbarmachen".

>Ich denke, dass ich die Schaltung so später auch aufbauen werde.

Keine gute Idee.

>Hoffentlich liegen Simulation und Realität nicht allzuweit voneinander
>entfernt.

;-)

>Bei Gelegenheit will ich mir dennoch eine ähnliche Schaltung mit
>Bipolar-Transistoren aufbauen.

Mach das und du wirst merken, das ist sinnvoller.

MFG
Falk

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Was ist das Problem mit dem großen Kondensator?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Igor Metwet (bastel-wastel)

>Was ist das Problem mit dem großen Kondensator?

Es kaschiert einen elementaren Designfehler.

MFG
Falk

Autor: Mark K. (Gast)
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Kann dadurch der P-Kanal zerstört werden?

Was ist der Designfehler, kapazitive Last am OP?

Habe hier sonst keine Infos bekommen, die mir ne Ausgangsspannung von 
nahezu 12V ausgeben kann.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Mark K. (Gast)

>Kann dadurch der P-Kanal zerstört werden?

Auch.

>Was ist der Designfehler, kapazitive Last am OP?

Dein OPV ist nicht als nichtinvertierender Verstärker geschaltet. Die 
Schaltung ist mir sehr suspekt. Und ich hab auch schon geschrieben wie 
man es leicht besser machen kann.

>Habe hier sonst keine Infos bekommen, die mir ne Ausgangsspannung von
>nahezu 12V ausgeben kann.

Nimm einen NPN als Emitterfolger und und 15V Versorgungsspannung. Und 
bitte nicht rumheulen dass du nur 12V hast.

MFG
Falk

Autor: Mark K. (Gast)
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>Nimm einen NPN als Emitterfolger und und 15V Versorgungsspannung. Und
>bitte nicht rumheulen dass du nur 12V hast.

Scherzkeks

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Anmerkung: 12V Lüfter laufen auch mit 10V.

Autor: Mark K. (Gast)
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Was du nicht sagst.
Ich meine oben geschrieben zu haben, daas ich einen Lüfter ansteuern 
will.
Warum sollte ich eine komplizierte Schaltung entwerfen um aus 12V einen 
Lüfter mit 10V anzusteuern ?

Der Lüfter soll von 5..12V angesteuert werden. Bei max. 10V fehlt mir 
ein großer Bereich. Ja, von 10 auf 12V macht bei einem Lüfter einen 
großen Unterschied.

Autor: mandrake (Gast)
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Ein Bipolartransistor ist hier wirklich besser.

Zum Vertauschen der Eingänge:

Bipolar PNP: Eingänge NICHT tauschen
Bipolar NPN: Eingänge tauschen

P-Kanal MOSFET: Eingänge NICHT tauschen
N-Kanal MOSFET: Eingänge tauschen

Autor: Mark K. (Gast)
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Sorry für meinen unfreundlichen Ton - war wohl etwas genervt.

Hab mich nochmal dahinter geklemmt und bin zu einem besseren Ergebnis 
gekommen. Sogar ohne C an R_L ;-)
Hab die Übertragung auf Basis eines I-Reglers aufgebaut. Die 
Geschwindigkeit ist schnell genug, da der Tiefpass hinter dem PWM-Signal 
ja eh sehr langsam ist.

Autor: Peter X. (vielfrass)
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Kurze Frage mal:

Diese letzte Schaltung hier die du als I-Regler bezeichnest ist doch bis 
auf ein paar ander Werte fast identisch mit dieser im Anhang...

Teste doch mal wie weit du mit dem 100n Kondensator runtergehen kannst.

Ist übrigens kein I-Regler weil der Feedbackpfad bei geöffneter Schleife 
keine 1/TP Übertragungsfunktion haben würde...

Autor: Mark K. (Gast)
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Die Schaltungen sind fast identisch.
Hab vorher nochmal diesen Artikel durchgeschaut:
http://www.roboternetz.de/wissen/index.php/Regelungstechnik

Da hab ich mir den I-Regler rausgesucht und habe die Rückführung auf den 
nichtinvertierenden Eingang geschaltet.
Wie würde man dann einen I-Regler denn richtig verschalten? Wirklich 
einen Subtrahieren aufbauen? Negative Betriebsspannung hab ich nicht.

Mit dem Kondensator kann ich noch testen. Wie gesagt - die Dynamik ist 
mehr als ausreichend.

Autor: Mark K. (Gast)
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Mit 10pF hab ich nen Rippel von 20mV
mit 100pF -> Rippel ca. 10mV
mit 1nF -> Rippel ca. 10mV

Wenn ich unter 10pF gehen (also schon bei 9pF) schwingt sich das System 
auf.
Da ich kein Oszilloskop habe, würde ich beim späteren Aufbau aber eher 
zu einem größeren C greifen (min. 1nF) damit ich auf der sicheren Seite 
bin.


PS: Den Widerstand zwischen OP_out und P-Kanal habe ich auf 330 Ohm 
erhöht.

Die neue Schaltung unterscheidet sich haupsächlich darin, dass am 
Lastwiderstand kein Kondensator mehr dran ist.

Autor: Helmi (Gast)
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Wenn du an deinem OP Ausgang noch einen weiteren Transistor mit 
Spannungsverstaerkung haengst und dann das ganze gegenkoppelst dann hast 
du an dem Punkt wo deine Phase denn wert 0 Grad erreicht eine 
Verstaerkung > 1 . Folge daraus dein Verstaerker schwingt. Die normalen 
OPs sind intern so kompensiert das sie auch bei gegengekoppelten 
Verstaerkungen von 1 nicht schwingen. Was du jetzt gemacht hast ist mehr 
Verstaerkung in den Kreis zu bringen. Als abhilfe damit es nicht 
schwingt must du dafuer sorgen das an dem Punkt wo die Phase den Wert 0 
erreicht die Verstaerkung deutlich unter 1 liegt. Und das hast du mit 
deinen Kondensator vom Ausgang des OP nach dem (-) Eingang gemacht. Du 
must jetzt dieses RC so in seiner Grenzfrequenz bestimmen das die 
Verstaerkung bei der besagten Frequenz unter 1 zu liegen kommt. Mit 
deinem Widerstand duerften da im allgemein so einige 100pF dafuer noetig 
sein.

Gruss Helmi

Autor: Mark K. (Gast)
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Aber ich hänge doch keinen weiteren Transistor an den Ausgang.
Meine Schaltung ist doch auch ne Mitkopplung.

Meinst du ich soll die Phasenreserve beachten?

hmm.
Verstärkung ist V = 2,5

Ein OP -> TP. Wie wirkt sich der MOSFET aus? Ebenfalls ein TP?
Dann kommt noch der TP über dem OP vor.
Ich bekomme also max. 270° Phasendrehung?

Aber eigentlich will ich doch ein DC Signal übertragen - wie kann soll 
ich da ne Frequenz annehmen?

Autor: Helmi (Gast)
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>Aber ich hänge doch keinen weiteren Transistor an den Ausgang.
>Meine Schaltung ist doch auch ne Mitkopplung.

Doch dein MOSFET . Und der dreht deine Phase um 180 Grad.
Und dadurch wird aus deiner "Mitkoppelung" doch wieder eine 
Gegenkoppelung.


>Meinst du ich soll die Phasenreserve beachten?

JA

>Aber eigentlich will ich doch ein DC Signal übertragen - wie kann soll
>ich da ne Frequenz annehmen?

Die Frequenz ergibt sich daraus wo deine Phasenreserve zu 0 wird.
Und wenn da deine Verstärkung > 1 ist schwingt die Schaltung dort.

Normalerweise sind OP so intern kompensiert das der Punkt wo die 
Phasenreserve 0 wird die Verstärkung kleiner 1 wird.

Da aber dein MOSFET zusätzliche Verstärkung ins System bringt ist dort 
wo die Phasenreserve 0 wird deine Verstärkung grösser 1. Folge deine 
Schaltung schwingt dort. Das hat nichts damit zu tun das du nur DC 
verstärken willst.

Dein MOSFET ist in einer Sourceschaltung deshalb hat er eine 
Spannungsverstärkung.


>Verstärkung ist V = 2,5

Diese verstärkung meine ich nicht.
Ich meine die nicht gegengekoppelte Leerlaufverstärkung der Schaltung.

Gruss Helmi

Autor: Mark K. (Gast)
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OK,

Leerlaufverstärkung ist 100.000 beim LM324
Ab 1Hz fällt die Verstärkung ja mit 20dB pro Dekade ab.
Bewirkt der MOSFET das Gleiche? Also auch bei 1Hz?
Diesen muss ich doch dann in den höheren Frequenzbereich verschieben, so 
dass die Verstärkung kleiner 1 ist bevor die Phasenreserve null wird !?

In welchem Zusammenhang steht dann der TP aus R und C am OP dazu?
Ist die Grundfrequenz des RC-Gliedes die vom Transistor?
Oder ist das ein 3. TP?

Ich weiß, dass ich viel frage, aber in der Vorlesung haben wir halt nur 
mit OP -ohne weitere Beschaltung gerechnet.

Autor: Helmi (Gast)
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>Leerlaufverstärkung ist 100.000 beim LM324
>Ab 1Hz fällt die Verstärkung ja mit 20dB pro Dekade ab.

Das ist richtig. Das ist das verhalten von deinem dominierenden 
Tiefpass.

>Bewirkt der MOSFET das Gleiche? Also auch bei 1Hz?

Nein , seine Grenzfrequenz berechnet sich in erster Linie aus dem 
Gatevorwiderstand und seiner Miller kapazitätet + seiner Gate-Source 
Kapazität. Dadurch haste dort auch noch eine weitere Phasendrehung.

>In welchem Zusammenhang steht dann der TP aus R und C am OP dazu?
Dieser bewirkt das die Verstärkung des OPs schon bei kleineren 
Frequenzen abfällt. Also die gesammt Verstärkung  OP + MOSFET bei einer 
Phasenreserve von 0 Grad  kleiner 1 wird.

>Oder ist das ein 3. TP?

Dieses RC glied muss jetzt dein dominanter TP werden also der Abfall um 
20db pro dekade muss von diesesn TP ausgehen.

Gruss Helmi

Autor: Mark K. (Gast)
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Dieses RC Glied ersetzt also den Abfall des OPs ab 1Hz ?
Ist also kein 3. TP.
Was du mit dominant meinst, versteh ich gerade nicht. Alle TPs haben 
doch gleiche Eigenschaften, nur die Grenzfrequenzen unterscheiden sich.

Dann müsste ich ja mit der Grenzfrequenz des RC-Gliedes unter 1Hz gehen, 
damit die Verstärkung früher abfällt.
Berechnen kann ich das ganze ja nicht exakt, da mir die ganauen Werte 
des MOSFET fehlen. Es sei denn, das steht im Datenblatt..

Danke für deine Erklärungen und deine Geduld.

Autor: Helmi (Gast)
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>Dieses RC Glied ersetzt also den Abfall des OPs ab 1Hz ?
>Ist also kein 3. TP.
>Was du mit dominant meinst, versteh ich gerade nicht. Alle TPs haben
>doch gleiche Eigenschaften, nur die Grenzfrequenzen unterscheiden sich.

Es ist ein 3. TP.

Mit dominant meine Ich das der abfall um 20dB / Dekade in erster Linie 
von diesem TP ausgeht und nicht von den anderen. Damit das so ist muss 
er kleiner als 1 Hz sein.

>Berechnen kann ich das ganze ja nicht exakt, da mir die ganauen Werte
>des MOSFET fehlen. Es sei denn, das steht im Datenblatt..

So direkt nicht. Aber die Gate-Source b.z.w. Gate-Drain kapazität 
sollten da schon drin stehen und die Steilheit.
Die effektive Kapazität der Gate-Drain Kapazität ist um die 
Spannungsverstärkung der Stufe grösser. Und die Spannungverstärkung des 
MOSFET ergibt sich ja aus der Steilheit des MOSFET mit dem Drain 
Arbeitswiderstand.

V = S * Rd

Cg = Cgs + Cgd * V

S = Steilheit des MOSFET
Rd = Drain Arbeitswiderstand
Cgs = Gate-Source Kapazität
Cgd = Gate-Drain Kapazität
V = Verstärkung der Stufe


Bei einem Bipolar Transistor kannst du die Steilheit direkt berechnen

S = Ie/Ut
Ie = Emiterstrom
Ut = Temperaturspannung = 25mV

Gruss Helmi

Autor: Mark K. (Gast)
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Vielen Dank. Ich werd mich da mal reinarbeiten.
Hmm, kleiner 1 Hz brauch ich den RC doch gar nicht zu machen. Die 
Schaltung läuft ja auch mit 100pf stabil. Der RC hat dabei ne 
Grenzfrequenz von ca. 160kHz. Da sollte der OP ja gar nicht mehr 
Verstärken können...

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