um einen DC-Strom zu messen, möchte ich die Spannung über einem Shunt abgreifen - ca. 100µV -, verstärken und über einen AD-Wandler messen.
Dafür benutze ich die angehängte Schaltung als Vorverstärkung. Ich kann über dem Shunt tatsächlich die erwarteten 100µV messen - und auch zwischen +IN(A) und +IN(B). Aber der Verstärkungsfaktor dieser Nicht-invertierenden Verstärkerschaltungen hat nichts mit er Theorie zu tun. Die Schaltung verstärkt momentan um einen Faktor von >100 statt 11.
Selbst wenn ich diese Schaltung zu einem simplen Spannungsfolger umbaue, verstärkt dieser immer noch um einen Faktor ~10.
Ich benutze einen OPA2328 (2 OPs pro Chip), der hat meiner Meinung nach exzellente Werte, was Input Offsets und Bias betrifft. Auch sonst eigentlich. Ich sehe nicht, dass ich mit dem die falsche Wahl getroffen habe.
Wo kann der Fehler liegen? Hat der OP eine Art "garantierten Mindestoutput" oder ähnliches? So dass ich unter einem 1mV gar nicht erst versuchen muss, zu verstärken? Ich bin nach tagelanger Suche am Ende meines Lateins.
Alle Widerstände befinden sich samt Spannungsversorgung auf einem Steckbrett. Der Chip und damit auch die Punkte, an denen ich messe, befinden sich aber auf einer Adapterplatine. Die Messungen erfolgen damit praktisch möglichst nah am Chip.
Wie hoch ist die?
Über dem 100 Meg-Widerstand fallen fast die vollen 0,3 v ab.
Mit Faktor 11 verstärkt sind es schon 3,3 V am Ausgang vom OP1B.
Da muss er erst mal überhaupt hin kommen!
50 µV Offsetspannung sind auch nich soo toll, wenn man 100 µV Differenzen messen will.
Die 1 pA Bias/Offsetstrom brauchst du hier nicht zwingend.
Der Biasstrom fließt nur über niederohmigen Widerstände (27k; 33k) ab, nicht über den 100 Meg.
Als "Imbalance" hast du hier nur 6k (33k - 27k). Um darüber einen zusätzlichen Fehler von 1 µV zu erzeugen, darfst du dir bis zu 167 pA Offsetstrom erlauben.
Man kann dann noch weiter optimieren, indem man Shunt und R_A1 und R_B1 gleich macht. Dann hebt sich der Einfluss der Biasströme auf.
Also bei 0,3 V Eingangsspannung und 33k können da doch maximal 9 µA über den Meßwiderstand fließen. Und die wiederum würden bei 0,1 Ohm doch nur 0,9 µV über dem Meßwiderstand ergeben.
Edit: Nun gut, Megaohm ändert da auch einiges...
Dann fallen die 0,3 V halt voll über den 100 Megaohm ab.
Alle Widerstände befinden sich samt Spannungsversorgung auf einem
Steckbrett.
Und dann hast du die Verbindungen auch noch mit Eisendrähten gemacht? Was meinst du, welche Übergangswiderstände du hast? Nimm eine Lochrasterplatte und löte alle Verbindungen!
Hat der OP eine Art "garantierten
Mindestoutput" oder ähnliches?
Ja, das Datenblatt erzählt was von 5..20mV, je nach Last.
R2R heißt nur nahe den Rails. 0V oder VCC geht nur mit Tricks.
Für Shunts erzeuge ich mir aus einer PWM des µC etwa -0,7V Hilfsspannung.
Der OP-Amp hat bis zu 75 uV Offset. Durch die Beschaltung wird das um Faktor 11 verstärkt. Und wenn der offset der beiden OP-Amps zufällig auch noch in entgegen gesetzte Richtung geht, dann hast alleine deswegen schon bis zu 1,6 V Differenz an den Ausgängen.
Der OP-Amp hat bis zu 75 uV Offset. Durch die Beschaltung wird das um
Faktor 11 verstärkt. Und wenn der offset der beiden OP-Amps zufällig
auch noch in entgegen gesetzte Richtung geht, dann hast alleine deswegen
schon bis zu 1,6 V Differenz an den Ausgängen.
Die Toleranzen der Widerstände RA1+2 zu RB1+2 gehen bei der Schaltung
doch auch stark ins Resultat ein oder?
@Peder
Miss doch mal die Ausgangsspannung mit Drahtbrücke (also 0Ohm) statt
mit R_sh = 33k.
Und ein dedizierter high Side Strommesseverstärker z.B. INA2.. mit V=20 und dabei statt. 33k einen 16k shunt wäre sehr viel einfacher und stabiler zu handhaben.
Ich bin mittlerweile beim Spannungsfolger geblieben. Das macht es einfacher, Abweichnung nachzuvollziehen. Damit sind zumindest auch alle Wiederstände quasi gleich und/oder weg.
Und dann hast du die Verbindungen auch noch mit Eisendrähten gemacht?
Was meinst du, welche Übergangswiderstände du hast? Nimm eine
Lochrasterplatte und löte alle Verbindungen!
Ich hab mal zwischen den Einzelverbindungen gemessen, und so wie es aussieht, hab ich die tatsächlich unterschätzt. Das wird dann wohl auf eine Testplatine hinauslaufen.
Ja, das Datenblatt erzählt was von 5..20mV, je nach Last.
R2R heißt nur nahe den Rails. 0V oder VCC geht nur mit Tricks.
Ein- und Ausgang bewegen sich um die 300mV. Ich glaube, dass meine Fragestellung nicht ganz sauber war. Eigentlich möchte ich wissen, ob ich mit diesem OP als Spannungsfolger eine reale Verstärkung von 1,0 haben kann, so dass ~100µV auch später ~100µV bleibt.
Und ein dedizierter high Side Strommesseverstärker z.B. INA2.. mit V=20
und dabei statt. 33k einen 16k shunt wäre sehr viel einfacher und
stabiler zu handhaben.
Danke für den Tipp. Ich scheine schon mal nach so etwas gesucht zu haben, kann mich aber nicht mehr erinnern. Und das Konzept von einfacher Vorverstärkung, differentiellem OP und ADC klang für mich simpel und stichhaltig genug, um das so zu versuchen. Ich mach mich mal schlau, inwiefern sich da ein Strommesseverstärker unterscheidet und was der Vorteil ist.
Die Schaltung verstärkt momentan um einen Faktor von >100 statt 11.
Du musst die Toleranzen der Praxis einbeziehen.
Erst die Theorie:
Vereinfacht sieht der OP1A die 0.3V, verstärkt das mit dem
Faktor 11 auf 3.3V.
Der OP1B sieht 100uV weniger also 0.2999V, verstärkt das mit
dem Faktor 11 auf 3.2989V.
Die Differenz beträgt somit 3.3V - 3.2989V = 1.1mV.
Passt, Signal wurde um Faktor 11 verstärkt.
Nun die Praxis:
Angenommen, R1_B hat nicht 27 kOhm, sondern nur 0.1% mehr. Also 27.027 kOhm. Das ergibt für den OP1B eine reduzierte Verstärkung von (270 + 27.027) / 27.027 = ca. 10.99.
Mit diesem Faktor verstärkt der OP1B die 0.2999V nur noch auf 3.2959V.
Die Differenz beträgt dann 3.3V - 3.2959V = 4.1mV. Das entspricht schon dem Faktor 41.
Und nun noch das gleiche für den OP1A, diesmal nur in die andere Richtung, und schon ist der Faktor von über 100 erklärt.
Mit dieser Schaltung bräuchtest Du extrem präzise Widerstände um Erfolg zu haben. Oder Du baust einen Trimmer ein, um Abzugleichen. Aber selbst dann ist die Freude nur von kurzer Dauer. Die Widerstände ändern sich (unterschiedlich) mit der Temperatur und dann verändert sich der Faktor auch ständig.
Als Lösung entfernst Du die Widerstände R_A1 und R_B1 und verbindest die negativen Eingänge -IN(A) und -IN(B) mit einem 27kOhm * 2 = 54kOhm Widerstand. Anders ausgedrückt: Anstatt R_1A und R_1B an Masse anzuschließen, verbindest Du die beiden.
Als Lösung entfernst Du die Widerstände R_A1 und R_B1 und verbindest die
negativen Eingänge -IN(A) und -IN(B) mit einem 27kOhm * 2 = 54kOhm
Widerstand. Anders ausgedrückt: Anstatt R_1A und R_1B an Masse
anzuschließen, verbindest Du die beiden.
Das wäre dann die Grundlage für einen Instrumentenverstärker, oder?
Die Rechnung zu den Widerstandstoleranzen ist echt interessant und augenöffnend. Für mich war der Effekt vernachlässigbar, deshalb habe ich das nicht selbst durchgerechnet. Danke dir!
Das wäre dann die Grundlage für einen Instrumentenverstärker, oder?
Dazu gibts in der Bucht zuhauf fertig bestückte Platinchen mit dem AD620. Ob da bei dem aufgerufenen Preis ein echter Ad620 drauf ist und wie stabil die Platinchen arbeiten kann ich nicht sagen. Ich meine auch, dass bei Youtube schon mal jemand so eine Platine genauer in Augenschein genommen hat.
Das wäre dann die Grundlage für einen Instrumentenverstärker, oder?
Genau.
Die Idee dahinter ist, dass das differentielle Signal erstmal verstärkt wird, aber die Gleichtaktspannung nicht.
Dabei wirken sich Toleranzen der Widerstände in der Eingangsstufe nur auf den (Differential-)Verstärkungsfaktor aus. Also z.b. 1% Toleranz sorgt für eine Toleranz von 2% bei der Differenzverstärkung. Also aus Faktor 11 wird eben im Worst-Case Faktor 11.22. Aber das ist selten ein Problem.
Erst in einem zweiten Schritt wird mit dem dritten Operationsverstärker der Gleichtaktanteil entfernt indem die beiden Spannung voneinander subtrahiert werden.
Je größer das verstärkte Differentialsignal bezüglich dem Gleichtaktsignal ist, desto kleiner wird der (mögliche) Gleichtaktfehler vom dritten Operationsverstärker.
Das ist im Grunde der ganze Clou vom Instrumentenverstärker.
Was kommt denn bei dein OP1B raus, 0,3V * 11 = 3,3V müßte rauskommen?
Bei einer Verstärkung von 100 müßte ja 30V rauskommen.
Und wenn der Spannungsabfall über den 33 kOhm Widerstand
100µV ist, müßte 0,2999V * 11 = 3,2989V rauskommen.
Was stimmt denn nun nicht mit der Theorie überein?
Müsste ich noch mal nachmessen. Aber die Differenz zwischen beiden OPs sollte 100µV*11 = 1.1mV betragen. Und die liegt irgendwo bei 13..15mV. Da versagt meine Theorie.
Und wenn die OPs als Spannungsfolger beschaltet sind, liegt die Differenz nicht bei 100µV, sondern bei >1mV.
Ich sehe dein Beschreibung richtig: 40,MHz OP, auf Steckbrett,,?
Thermospannungen hast du kompensiert,?
Frequenz spielt bei mir keine Rolle, ich möchte nur DC messen (<1Hz).
Ich bin nicht ganz sicher, wie die Thermospannung da reinspielt. Ja, Steckbrett, aber die Temperatur sollte ja entlang von einer oder zwei Steckbrücken gleich sein. Oder ich verstehe nicht, worauf du hinauswillst.
Ich glaube nicht, dass bei den Kennwerten für den OPA2328 so ein Offset entstehen kann, aber das Video war recht aufschlussreich. Ich teste die OPs morgen mal auf ihren Offset, das dürfte recht interessant werden.
Verstaerker2.png
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