ich wollte euch an einem kleinen Educational-Projekt zum Thema OPV teilhaben lassen. Im Anhang findet ihr Bilder von der Platine und die zugehörigen Gerberdaten.
Rf, Rg, RD1 und RD2 werden als Buchsenleiste bestückt um bedrahtete Widerstände stecken zu können. In der Grundkonfiguration stecken in RD1 und RD2 Kurzschlussbrücken.
Man kann normale OPV- wie auch Komparatorschaltungen aufbauen und charakterisieren.
Mit Roffset kann man einen Offsetabgleich vornehmen. Erwärmt man dann T1 oder T2 per Handauflegen, sieht man wie sich der Offset verschiebt.
Mit Rbias kann man den Biasstrom der Ausgangsstufe einstellen. Hierbei kann man den Übergang von Class B zu Class AB beobachten.
Konfiguriert man die Platine als Spannungsfolger mit 10kOhm in der Rückkopplung (Jumper 2 rechts, Rf=10kOhm), kann man anhang des Spannungsabfalls an Rf den Biasstrom des Eingangs messen.
Das Open Loop Gain kann gemessen werden, indem man die invertierende Konfiguation wählt (Jumper 1 links, Jumper 2 rechts), ein Gain von 10 über Rf=10kOhm und Rg=1kOhm wählt und eine Bodeplot-Analyse mit Kanal eins am invertierenden Eingang und Kanal 2 am Ausgang durchführt. Dadurch wird die Verstärkung vom Ausgang zum invertierenden Eingang gemessen. Durch das Ändern von RD1, RD2 und C1 kann das Open Loop Gain verändert werden.
Als Einstieg gehe ich die Schaltung inklusive der zu erwartenden Spannungen und Ströme für Komparator und Spannungsfolger theoretisch durch. Die werden dann als erstes am lebenden Objekt nachgemessen.
Der Stromspiegel aus T6 und T7 hat diskret nicht so richtig viel Sinn. Da könntest du statt D6 auch 'ne Diode nehmen. Wenn schon als Stromspiegel, dann besser einen Doppeltransistor benutzen.
Diskrete OPVs waren als Leistungs-NF-Verstärker früher nicht unüblich. (Inzwischen baut man die vermutlich lieber als Klasse D auf.)
Eine Diode hat eine andere Kennlinie als ein Transistor als Diode beschaltet - letztere ist dem Transistor deutlich ähnlicher. T8 hat auch noch Teil am Stromspiegel und die Schaltung sollte mit Bauteilen aus der Grabbelkiste funktionieren.
Sie wurde ursprünglich für Mikrotechnologen-Azubis und -Techniker 'entwickelt', die Platine kommt aber mittlerweile auch am Technischen Gymnasium und an der nächsten Uni zum Einsatz.
Im Anhang habe ich noch einen Screenshot von der Open-Loop-Gain-Messung und der Verstärkung des entsprechenden 10fach Invertierten Verstärker gefunden. Bei letzterem stimmt aber die Skalierung nicht, da hat der Azubi am Tastkopf 10x und 1x verwechselt. Zieht man 20dB ab, passt auch das GBW :)
Kanal 1 ist hierbei das Eingangssignal (~19mVpp, also real ~190mVpp), Kanal 2 das Ausgangssignal (~1,9Vpp) und Kanal 3 der invertierende Eingang (~3mVpp) bei 1kHz, was wie zu erwarten exakt mit den 56dB Loopgain aus dem Bodeplot übereinstimmt.
Der Stromspiegel aus T6 und T7 hat diskret nicht so richtig viel Sinn.
Da könntest du statt D6 auch 'ne Diode nehmen. Wenn schon als
Stromspiegel, dann besser einen Doppeltransistor benutzen.
Na ja, wenn man die im Layout so dicht zusammensetzt, das man beide "Rücken an Rücken", an der flachen Seite zusammenklebt, oder mit einem Schrumpfschlauch zusammenfasst, damit der Temperaturgang gleich ist, ist wenigstens der Lerneffekt da.
Dann könnte der Wissenszuwachs Stück für Stück erfolgen:
Dann könnte der Wissenszuwachs Stück für Stück erfolgen:
zwei unterschiedliche Transistoren
zwei als Pärchen ausgemessene Transistoren
Pärchen thermisch gekoppelt
Gute Idee! Dafür müsste man die Emitter-Degeneration Widerstände R7-R9 deutlich verkleinern. Mit den 1kOhm sieht man von den Transistortoleranzen so gut wie nichts.
Wenn man den OPV zumindest einigermaßen sinnvoll einsetzen möchte, gilt das auch für R5 und R6. Mit den aktuell hohen Werten kann man aber relativ wenig kaputt spielen und bei gemessenen Spannungen über den Widerständen hat man automatisch 1V=1mA.
Die Schaltung ist doch einfach nur grausam schlecht.
Was soll der 1k Ausgangswiderstand? Der 1nF ruiniert den Frequenzgang.
Zwei Transistoren mehr, und die Schaltung könnte wenigstens ansatzweise mit einem käuflichen Opamp aus den 70'ern mithalten.
Ein vernünftig entwickelter 2-Transistorverstärker ist einfacher zu verstehen, und hat zudem 1-2 Vorteile gegenüber einem käuflichen Opamp...
Wenn man den OPV zumindest einigermaßen sinnvoll einsetzen möchte, gilt
das auch für R5 und R6. Mit den aktuell hohen Werten kann man aber
relativ wenig kaputt spielen und bei gemessenen Spannungen über den
Widerständen hat man automatisch 1V=1mA.
Zwei Transistoren mehr, und die Schaltung könnte wenigstens ansatzweise
mit einem käuflichen Opamp aus den 70'ern mithalten.
Dass soll er garnicht? Ich denke du meinst den Stromspiegel im Long-Tailed-Pair? Der würde die Möglichkeit den Offset so einfach und verständlich einzustellen zunichte machen und das Open Loop Gain soweit erhöhen, dass es mit einfachen Mitteln nicht mehr messbar wäre. Letzteres gilt übrigens auch für den 1nF-Kondensator.
Erinnert mich daran, wie ich selbst auf dem Breadboard einen grundlegenden OPV zusammengesteckt habe, und Schritt für Schritt ausgebaut habe, mit Long-Tail, current source, output buffer etc. Dieses PCB macht es aber bedeutend einfacher.
Meiner Meinung nach ist der Selbstbau ein unerlässliches Lehrstück, um wirklich zu verstehen wie ein OpAmp funktioniert.
Eine weitere Messung könnte sein: Common Mode Rejection. Dazu den current source / current mirror im long tail mit einem Widerstand brücken. Das gibt eine richtig miese CMR! Identische Spannung an beiden Inputs (z.B. 3V) gibt dann schon richtig viel Signal am Output und man erkennt dass die current source im long tail eine geschätzte 1000-10000 fache Verbesserung der CMR bringt. Ich hab erst mit diesem Experiment kapiert, wozu um CMR soviel aufhebens gemacht wird.
@ Brüno: Als Vorschlag würde ich noch 2 1N4002 einbauen über die +/-15V Versorgung, um ein Zerstören bei versehentlicher Verpolung der Betriebsspannung abzusichern.
Vorschlag ist natürlich optional.
Du kannst ja einfach mal eine LtSpice-Simulation anhängen, dann kann man
sehen, ob 2 Transistoren mehr wirklich etwas bringen.
Je nach Degenerationswiderständen bringen die rund 20-30dB mehr DC Open Loop Gain. Dafür wäre der OPV aber bei geringeren Schleifenverstärkungen nicht mehr stabil. Das ist meine Variante, auch dank des angeblich überflüssigen 1nF-Kondensators.
Der Stromspiegel bringt nicht nur mehr Open-Loop Gain, sondern sorgt auch dafür, dass die Nichtlinearitäten der Eingangstufe vernachlässigbar sind.
Wenn du noch einen Transistor spendierst, dann kannst du auch die Nichtlinearitäten der Spannungsverstärkerstufe eliminieren.
Die Strombegrenzung sollte man meiner Meinung nach praxisnaher machen.
Mit dem 1k Ausgangswiderstand ist die Schaltung unrealistisch.
Meiner Meinung nach ist dieser Spielzeug-Opamp verlorene Zeit:
Die Schüler, die das Opamp-Prinzip verstanden haben, brauchen ihn nicht aufzubauen und durchzumessen. Und die, die das Prinzip nicht verstanden haben, sind mit der Komplexität überfordert.
In der Praxis kann keiner damit was anfangen, da heutige Opamps anders aufgebaut sind. Die Zeit wäre besser verwendet, typische Opamp-Schaltungen (Filter, Verstärker, ideale Gleichrichter etc.) aufzubauen, mit käuflichen Standard-Opamps. Da hat man später mehr davon, vorallem wenn man die nicht idealen "Dreckeffekte" in der Messung herausarbeitet.
Wenn man low-level Schaltungsdesign lehren will (heute kontraproduktiv!), dann ist es meiner Meinung nach besser, mit einfacheren Transistorverstärkern zu experimentieren. Die kann man noch relativ einfach durchrechnen. Die LTSpice Simulationen sind für die Katz, die führen zu keinem Verständnis, da wird nur irgendwie irgendwas rumprobiert. In der Praxis funktionieren die so entwickelten Schaltungen dann auch nicht besonders gut - die Modelle sind zu einfach oder falsch, und das Schaltungsprinzip geht in der Komplexität unter.
Der Stromspiegel fügt zusätzliche Komplexität hinzu, die im edu-Kontext kein Mensch braucht. Wer sowas schonmal gemacht hat, weiß wie schön es ist wenn der Eingangsoffset per Poti minimiert wird und sich die Teilnehmer freuen, dass die vorher angestellten Rechnungen bezüglich des Werts von Rbias richtig waren.
Die Strombegrenzung interessiert an der Stelle ebenfalls niemand. Alles andere wäre unnötig komplex. Die einfache Nutzung als Strommessshunt wäre auch dahin.
Meiner Meinung nach ist dieser Spielzeug-Opamp verlorene Zeit:
Die Schüler, die das Opamp-Prinzip verstanden haben, brauchen ihn nicht
aufzubauen und durchzumessen. Und die, die das Prinzip nicht verstanden
haben, sind mit der Komplexität überfordert.
Deine Meinung ist erfahrungsgemäß einfach nur falsch. Erstere freuen sich über das tiefere Verständnis und können zweitere bei der Annäherung an das Thema unterstützen. Zweitere blühen richtig auf weil sie (zumindest ansatzweise) begreifen, was auf einem Die abgeht und worauf man dementsprechend zu achten hat. Ich hatte bis jetzt keinen einzigen, der das Arbeiten an der Platine nicht gut fand.
Wenn man low-level Schaltungsdesign lehren will (heute
kontraproduktiv!), dann ist es meiner Meinung nach besser, mit
einfacheren Transistorverstärkern zu experimentieren. Die kann man noch
relativ einfach durchrechnen.
Wer hat denn gesagt, dass wir das nicht tun? 😏 Davon mal ab, speziell für Mikrotechnologen ist low-level sehr produktiv, siehe oben.
Fassen wir zusammen: Deine technischen Einwürfe sind weder mir neu noch für den Zweck der Platine relevant. Dein Aufreiben an der angeblich fehlerhaften Unterrichtsgestaltung ist völlig am Thema vorbei, weil du exakt nichts über die Unterrichtsgestaltung weißt. Du regst dich darüber auf, dass die Schaltung zu komplex sei (was sie erwiesenermaßen nicht ist), willst sie aber wenn dann bitte noch komplexer haben (was kein Mensch braucht). Wieso trägst du nichts sinnvolles bei oder (wenn du das nicht kannst) trollst dich einfach?
Nach ein ganz andere Frage:
Die Spannungsversorgung ist ja mit +-15V angegeben.
Es wäre schön, wenn man den Aufbau ohne Labornetzteil verwenden könnte.
Als einfachste Art der Spannungsversorgung fallen mir zwei 9V Blockbatterien ein.
Vielleicht ginge auch mittels Arduino einen Hoch- und einen Tiefsetzsteller mittels PWM, einem Transistor und Spule zu erzeugen. Dann ginge das ganze auch am USB des PCs.
Es wäre schön, wenn man den Aufbau ohne Labornetzteil verwenden könnte.
Als einfachste Art der Spannungsversorgung fallen mir zwei 9V
Blockbatterien ein.
Das könnte man schon mit der jetzigen Variante tun. Im aktuellen Ablauf ist das Zusammenstöpseln der bipolaren Versorgungsspannung mit den Labornetzteilen eine schön praxisnahe 'Herausforderung'.
Im aktuellen Ablauf
ist das Zusammenstöpseln der bipolaren Versorgungsspannung mit den
Labornetzteilen eine schön praxisnahe 'Herausforderung'.
Vielleicht hast du Recht. Man vergisst immer schnell, dass die Studenten noch keine Erfahrung haben.
Im anderen Fall der Erzeugung der der Versorgungsspannung mit dem obigen Boostkonverterprinzip käme neben dem Verständnis des Operationsverstärkers noch das Verständnis der Schaltnetzteilspannungskonverterprinzipien hinzu, die heutzutage nicht weniger wichtig sind.
Fassen wir zusammen: Deine technischen Einwürfe sind weder mir neu noch
für den Zweck der Platine relevant. Dein Aufreiben an der angeblich
fehlerhaften Unterrichtsgestaltung ist völlig am Thema vorbei, weil du
exakt nichts über die Unterrichtsgestaltung weißt. Du regst dich darüber
auf, dass die Schaltung zu komplex sei (was sie erwiesenermaßen nicht
ist), willst sie aber wenn dann bitte noch komplexer haben (was kein
Mensch braucht). Wieso trägst du nichts sinnvolles bei oder (wenn du das
nicht kannst) trollst dich einfach?
Fassen wir zusammen: Du hast ein Problem mit Leuten, die nicht deiner Meinung sind. Wenn du nicht mit Kritik klarkommst solltest du deine Schaltung einfach nicht hier herzeigen. Oder hast du erwartet, das hier jeder in Jubel ausbricht?
Mangels Gegenargumenten bin ich immer noch der Meinung, das das nicht zielführend ist, was du machst. Ganz im Gegenteil vermittelst du völlig veraltetes Wissen. Leuten wie dir haben wir es zu verdanken, das die EU auch in Zukunft hinter Silicon Valley hinterherhinkt.
Als Beispiel deine Offsetkorrektur: Die korrigiert den Offset nur an einer einzigen Temperatur, verschlimmert dabei aber den Offsetverlauf über die Temperatur, und ist daher seit >30 Jahren nicht mehr in Verwendung.
Bisher habe ich eine primitive Schaltung gesehen, die interessierte Schüler abturnt - welcher Schüler will sich schon mit 50 Jahre alter Technik auseinandersetzen? Und weniger begabte Schüler sind damit überfordert, da hast du schon Probleme einen einfachen Transistorverstärker zu erklären.
Die begrenzte Zeit wäre besser genutzt, moderne Opamp Grundlagen zu lehren, oder praxisnahe Schaltungen mit käuflichen Opamps durchzurechnen, falls der Bau von Opamps nicht im Vordergrund steht.
Die Frage, ob heute überhaupt noch irgendwas relevantes mit bipolaren Transistoren gemacht wird lasse ich mal stehen...
Du hast ein Problem mit Leuten, die nicht deiner
Meinung sind.
Na, ich habe nur zusammengefasst wie du hier auftrittst, nämlich völlig planlos und komplett am Thema vorbei. Kann man machen, ist halt nur nicht allzu sinnstiftend.
Die korrigiert den Offset nur an
einer einzigen Temperatur, verschlimmert dabei aber den Offsetverlauf
über die Temperatur, und ist daher seit >30 Jahren nicht mehr in
Verwendung.
Einen hab ich noch: Das sind genau die Dinge, die im Nachgang an die Experimente diskutiert werden. Der Wert von Rbias errechnet sich u.a. aus Vbe von T3, und die ist bekanntermaßen temperaturabhängig. Das gleiche gilt für mögliche Verbesserungen wie den Stromspiegel im Longtail oder einem Darlington anstatt von T3. Die richtig guten kommen da von selbst drauf und können das auch ihren Mitschülern vermitteln. Wenn das aber schon alles auf der Platine mit drauf wäre, wäre der Spaß dahin.
Das war aber mehr für die Allgemeinheit, nicht dass sich @Udo noch angestachelt fühlt etwas sinnvolles beizutragen..
Die begrenzte Zeit wäre besser genutzt, moderne Opamp Grundlagen zu
lehren, oder praxisnahe Schaltungen mit käuflichen Opamps
durchzurechnen, falls der Bau von Opamps nicht im Vordergrund steht.
Wie wäre es, wenn Du einfach mal DEIN Skript und die entsprechende HW für die Ausbildung postest anstatt hier nur rumzumeckern?
Ich finde Dominiks Ansatz sehr anschaulich und er macht den Azubis sicher auch viel Spass.
Natürlich hat sich in den letzten Jahren einiges in der Technik weiterentwickelt. Aber es macht wenig Sinn die Leute gleich am Anfang zu überfordern.
Vielleicht ginge auch mittels Arduino einen Hoch- und einen
Tiefsetzsteller mittels PWM, einem Transistor und Spule zu erzeugen.
Vielleicht. Vielleicht auch nicht. Kennst du die Grundlagen der step up Sperrwandler, die Regelcharacteristik im kontinuierlichen und diskontinuierlichen Betrieb ?
Schon eine spottbilliger MC34064 hat einen Stromsensor Rsc der die PWM Zeit beeinflusst. Dein Arduino erkennt nicht mal, wenn die Schaltung von diskontinuierlichen Betrieb in den kontinuierlichen übergeht.
Wenn ein Arduino ohne Überschwinger und Regeloszillationen regeln soll, muss er einen PID Regler durchrechnen. Möglichst bei jedem PWM Zyklus. Vielleicht schafft man den PID in Festkommaarithmetik per Assembler nachzubilden. Selbst dann liegt die PWM Frequenz eher niedrig, sagen wir 1kHz. Das bedeutet grosse Spulen und grosse Elkos und trotzdem langsames Nachregeln gegenüber aktuellen step up IC die mit 1MHz arbeiten. Aber möglich ist es, klar.
Bleibt nur die Frage, ob dein USB auch genug Strom liefert.
Schon eine spottbilliger MC34064 hat einen Stromsensor Rsc der die PWM
Zeit beeinflusst. Dein Arduino erkennt nicht mal, wenn die Schaltung von
diskontinuierlichen Betrieb in den kontinuierlichen übergeht.
Das hängt von der Firmware ab.
Wenn ein Arduino ohne Überschwinger und Regeloszillationen regeln soll,
muss er einen PID Regler durchrechnen.
Es wäre nicht der erste PID-Regler, der auf einem Arduino berechnet wird.
Bleibt nur die Frage, ob dein USB auch genug Strom liefert.
Das hängt vom Wirkungsgrad des Wandlers und vom Strombedarf der Schaltung ab
Auch wenn der Thread hier über 2 Jahre alt ist, hole ich den aus seinem "Grab" wieder hervor (man möge mir das verzeihen --- oder auch nicht), einfach weil ich das Posting hier als tolles Anschauungsobjekt für Unterweisungen betrachte.
Im Verlauf des Threads hat der TO auch eine Simulation mit LtSpice gepostet, welche für eine Onlineschulung (Auszubildende Physik und Elektroniker) nicht gut zu gebrauchen ist, da hierfür LtSpice installiert sein muß.
Aus diesem Grund habe ich die Schaltung hier jetzt für den Onlinesimulator falstad gemacht.
Hier können die zu Unterweisenden dann auch nach "Herzenslust" damit spielen (z.Bsp. Aufbau Invertierender Verstärker), was sie auch getan haben.
Für den diskreten Operationsverstärker gebührt mein Dank immer noch dem TO.
Kleine Anmerkung zur Stromquelle D1-R1-T9: Man kann auch zwei Si-Dioden in Reihe schalten. Die Diode gibt den Strom vor, die andere kompensiert die BE-Spannung von T9.
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