Operationsverstärker IV: Störprobleme

Dieser neue vierte Elektronik-Minikurs zum Thema Operationsverstärker (Opamp) befasst sich mit unterschiedlichen Störproblemen bei Opamp-Schaltungen. Es beginnt mit der störarmen Beschaltung. Es gilt der elementare Grundsatz, dass eine analoge signalverstärkende oder signalverarbeitende Schaltung so niederohmig wie möglich realisiert sein sollte. Dies reduziert das Risiko der parasitär-kapazitiven Einkopplung von elektrischen Wechselfeldern. Eine solche Störquelle ist oft in unmittelbarer Nähe, nämlich eine parallele Leiterbahn…

Teilbild 1: Eine empfindliche Stelle der parasitären Einkopplung beim Opamp ist der invertierende Eingang, weil dieser, als virtueller GND, auf einen niedrigen Strom empfindlich reagiert und so in R2 und somit auch am Ausgang Ua die Störspannung Us verstärkt wiedergibt. Ähnliches gilt bei nichtinvertierendem Eingang, jedoch ist die Funktionsweise etwas anders. Der Strom wirkt direkt auf R3. Die Störspannung liegt an R3 und wird durch „(R2/R1)+1“ verstärkt. Us ist die Stör- oder im Speziellen die 50-Hz-Brummspannung. Der Zeigefinger illustriert das spielerische Experiment. Je näher der Zeigefinger beim invertierenden oder nichtinvertierenden Eingang ist, um so grösser ist die Kapazität Cx im unteren pf-Bereich.

Teilbild 2: Hier geht es um eine reale Störsituation. Der punktierte Bereich der beiden parallelen Leiterbahnen bilden die Kapazität Cx. Wenn Us eine Rechteckspannung im unteren Volt-Bereich aufweist, z.B. als Teil einer benachbarten digitalen Schaltung, dann wird Us im Bereich von Cx in den Abschnitt der Leiterbahn zum invertierenden Eingang eingekoppelt mit der entsprechenden Auswirkung auf Ua. Der nichtinvertierende Eingang ist hier mit GND verbunden, weil nur die Störspannung zum Ausdruck kommen soll. Warum diese als feine Nadelimpulse gezeichnet sind, erfährt man im Minikurs.

Die Teilbilder 3 bis 5 zeigen, dass die Bahnlänge zum invertierenden Eingang so kurz wie möglich gehalten werden sollte. Dies erreicht man, wenn die Bauteile (hier R1 und R2) möglichst nahe beim invertierenden Eingang verlötet sind. Häufig verwendet man zur Kalibrierung oder Steuerung der Verstärkung eine Kombination aus Widerstand und (Trimm-)Potmeter. Es versteht sich von selbst, dass R2 so nahe wie möglich beim invertierenden Eingang liegt.

Viel Spass beim Lesen des neuen vierten Opamp-Minikurses.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


2. Auflage von Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker

Seite Mitte August gibt es die 2. Auflage des Buches „Elektronik-Workshop: Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker“. Dazu hat Thomas Schaerer seine Sammlung von Minikursen rund um Operationsverstärker vollständig überarbeitet und erweitert.

Dieses Buch ist nicht einfach nur ein Buch, sondern ein Elektronik-Workshop. Denn es gibt was zu tun. Dieser Elektronik-Workshop ist eine Sammlung von Minikursen zum Thema Operationsverstärker und Instrumentationsverstärker, die auf der Webseite von Elektronik-Kompendium.de von Thomas Schaerer veröffentlicht sind.

In praxisbezogenen Minikursen wird der Vielseitigkeit des Operationsverstärkers Ausdruck verliehen. Mit einer Einführung in das Thema Operationsverstärker und zusätzlich vertiefenden und erweiterten Erklärungsansätzen.

Die neue 2. Auflage dieses Buches ist bis zum 30.9.2014 zum Einführungspreis von nur 19,90 Euro erhältlich.

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UPDATE: Operationsverstärker I

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Es ist nur möglich auf der Hauptseite des ELKO das begleitende Titelbild zum folgenden Text zu sehen. Damit dies im Newsletter auch möglich ist, öffne man im Web-Browser den folgenden Link:

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Dieses Update enthält das neue Kapitel DIE UNITY-GAIN-BANDBREITE. Diese Erweiterung klärt auf, warum die Unity-Gain-Bandbreite nur für die Verstärkung von 1 (nichtinvertierend) und nicht auch für die Verstärkung von -1 (invertierend) gilt. Als Beispiel dient der Opamp LF356 mit einer Unity-Gain-Bandbreite von 5 MHz. Das Titelbild illustriert die Details die dem Verständnis dienen. Als Nebenprodukt davon erfährt man, wie man mit einem einfachen Trick aus einem Opamp, der nicht bis hinunter zu einer Verstärkung von 1 arbeiten kann, weil die interne Kompensation reduziert ist, dies doch kann. Allerdings geht das nur mit einem Kompromiss…

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Operationsverstärker I

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Dieses Update betrifft die beiden neuen Kapitel DER UNBENUTZTE OPAMP UND DIE RICHTIGE BESCHALTUNG und WENN OPAMPS ANDERE OPAMPS STÖREN.

Es kommt bei einem Vierfach-Opamp (Quad-Opamp) immer wieder mal vor, dass man in einer Schaltung nur drei dieser vier Opamps benötigt und da stellt sich die Frage, wie man den unbenutzten Opamp richtig beschaltet.

Im erstgenannten Kapitel (siehe Titelbild) zeigt das Teilbild oben, wie eine völlig falsche Idee entstehen und sich etablieren kann. Es ist genau beschrieben, warum dies unsinnig ist. Das untere Teilbild zeigt, wie man es richtig macht. Die Erklärung umfasst die Single-Supply- (+Ub) und die Dual-Supply-Speisung (±Ub). Berücksichtigt werden dabei „normale“ Opamps und solche mit Single-Supply-Eigenschaften, was nicht exakt das selbe ist wie Opamps mit Rail-to-Rail-Eigenschaften. Dazu kommt noch, was muss man tun, wenn der Opamp nicht unity-gain-stable ist.

Das zweitgenannte Kapitel: In einem Quad- oder auch Dual-Opamp kann man nicht alle Schaltfunktionen gemeinsam integrieren die man gerne haben möchte. So ist es z.B. nicht empfehlenswert eine empfindliche Verstärkerschaltung und ein Rechteckgenerator gemeinsam in einem IC unterzubringen, weil steile Flanken und hohe Amplituden die analoge Schaltung empfindlich stören können. So können leicht Opamps übrig bleiben, die man nicht einsetzen kann und da kommt das erstgenannte Kapitel zum Einsatz.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


UPDATE: Operationsverstärker I

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Dieses Update betrifft das Kapitel DIE Ub/2-REFERENZ UND DER SYNTHETISCHE GND, wobei die Ub/2-Referenz das eigentliche Update-Thema ist. Das Titelbild zeigt drei verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung einer Referenzspannung, die als Abeitspunkt dient. In vielen Anwendungen geht es darum, dass diese Referenzspannung die halbe Betriebsspannung ist. Damit ist es möglich ein Signal symmetrisch auszusteuern, wenn nur eine positive Betriebsspannung +Ub (Single-Supply) zur Verfügung steht. Es gibt aber auch Fälle wo nicht die halbe Betriebsspannung optimal ist zur symmetrischen Aussteuerung. Dies ist im Prinzip immer dann der Fall, wenn ein Opamp-Ausgang zwar bis auf GND, jedoch nicht bis nach +Ub steuerbar ist. Dieser Unterschied spielt jedoch beim vorliegenden Thema keine Rolle. Es geht nämlich nur darum, wann die erste, zweite oder dritte Schaltung im Titelbild zum Einsatz kommen soll. Diese Thematik wurde mit einer differenzierteren Beschreibung und einer erweiterten Skizze im vorliegenden Update verbessert.

Gruss Euer
ELKO-Thomas


Update: Operationsverstärker I

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Dieses Update betrifft den gesamten Inhalt. Vieles ist differenzierter  und präziser beschrieben. Konzentriert man sich auf Text und Bild, und man setzt das Gelesene um in eigenes Experimentieren, zieht man den besten Nutzen.

Dieser erste Elektronik-Minikurs zum Thema Operationsverstärker befasst sich mit der invertierenden und nichtinvertierenden Verstärkung. Thematisiert wird der virtuelle GND, bzw. die virtuelle Spannung, und warum die Differenzspannung am Eingang im eingeschwungenen Zustand (fast) immer 0 V sein muss. Ebenfalls werden die DC-Offsetspannung und die Kompensationsmethoden, die Arbeitspunktspannung (Referenzspannung), wenn nur eine Betriebsspannung (single-supply) zur Verfügung steht und die Geschwindigkeitsgrenzen des Operationsverstärkers thematisiert. Dabei wird ausführlich erklärt was die Unity-Gain-Bandbreite und die Slewrate ist und wie man damit, an einem praktischen Beispiel gezeigt, arbeitet. Ganz neu ist ein Online-Rechner zur Berechnung der Slewrate.

Es wird gezeigt, wie man eine einfache Messschaltung für Hochspannung realisieren kann. An anderer Stelle lernt man wie bei einer Schaltung zur Erzeugung einer aktiven Referenzspannung eine ungewollte störende parasitäre Induktivität entstehen kann, wenn man diese Schaltung nicht richtig dimensioniert, was allerding keine schwierige Sache ist. Ein interessantes aber störendes Phänomen erzeugen Keramik-Multilayerkondensatoren als akustische Wandler, eine Art Piezoeffekt. Es geht darum, wie man dies durch vernünftige Dimensionierung von RC-Schaltungen vermeidet.

Dieser Elektronik-Minikurs soll ganz besonders zum Experimentieren anregen, um die Elektronik mit Operationsverstärkern selbst zu erfahren und zu erleben. Simulieren mittels Software ersetzt das Experimentieren nicht! Trotzdem hat beides seine Daseinsberechtigung. Mehr zu diesem Thema liest man in SIMULIEREN UND EXPERIMENTIEREN, ein Vorwort von Jochen Zilg. Siehe zweiter Link.


Update: Operationsverstärker II

Dieser Elektronik-Minikurs setzt das Thema über die DC-Offsetspannung und dessen Kompensation aus Operationsverstärker I fort. Dieses Thema wird hier vertiefter und differenzierter angeboten. Es gibt auch die Methode der direkten Kompensation der DC-Offsetspannung am Operationsverstärker, jedoch hat diese ihre Grenzen. Dies wird ausführlich erklärt. Die präzise Abstimmung der DC-Offsetkompensation wird in Verbindung zur präzisen Abstimmung der Verstärkung erklärt. Beides wird mit einem Operationsverstärker realisiert, der Teil eines weiteren analogen Systems sein kann. Es folgt die Methode eines mehrkanaligen Abgleichs mit hochpräzisen Bandgap-Referenzdioden. Abschliessend wird hier gezeigt, wie man mit dem Problem der kapazitiven Last am Ausgang des Operationsverstärkers umgeht, z.B. wenn eine lange abgeschirmte Leitung getrieben werden soll. Mit lediglich zwei zusätzlichen Bauteilen wird dieses Problem gelöst. Man nennt diesen Trick die Lead-Kompensation.

Der Inhalt dieses Elektronik-Minikurses ist für ein besseres Verständnis von Text und Bild leicht überarbeitet. Bild 1 zeigt am Beispiel des traditionsreichen und alten Operationsverstärker µA741 (LM741) wie der Abgleich der DC-Offsetspannung mit der Eingangsstufe zusammenarbeitet. Aus diesem Grund ist die Eingangsstufe wiedergegeben. Hier gab es einenFehler bezüglich der Einspeisung der positiven Betriebsspannung zu den beiden Transistoren T3 und T4. Anstelle eines Stromspiegels zeigte sich dort das Symbol einer Stromquelle. Auf diesen Fehler machte mich ein ELKO-Leser drauf aufmerksam. Ich habe diesen Fehler bereinigt. Mit einem Klick hat man zusätzlich die Möglichkeit den gesamten und vollständigen Innenaufbau des µA741 (LM741) im Wikipedia zu betrachten.


Dreieckgenerator mit Operationsverstärker

Was sind die grundlegenden Voraussetzungen um eine Dreieckspannung zu erzeugen? Wenn man verstanden hat, dass immer eine konstante Stromquelle/senke involviert ist, welche Möglichkeiten bieten sich? Die Integratorschaltung mit Opamp, eine beinah ideale leicht steuerbare Stromquelle, bietet die beste und einfachste Lösung mit der Unterstützung durch einen Schmitt-Trigger. Die virtuelle Spannung, ein dynamischer Vorgang, der den Effekt einer konstanten Stromquelle am Leben erhält…

Doch nun im Einzelnen. Es beginnt mit der unterschiedlichen Ladecharakteristik eines RC-Gliedes mit der typischen Exponentialkurve im Vergleich zum IC-Glied dessen Ladekurve eine Gerade ist. Dies ist die primäre Voraussetzung für einen Dreieckgenerator. IC bedeutet hier nicht wie sonst gewohnt Integrated Circuit, sondern anstelle von Widerstand-Kondensator (RC), Strom-Kondensator (IC).

Da der 555-Timer gerade im ELKO und seinem Forum eine Tradition hat, soll gezeigt werden, mit welchem Aufwand der bessere LMC555 (CMOS-Version) sich für einen Dreieckgenerator eignet. Nach dieser enttäuschenden Erfahrung kann man zu diesem Thema den 555er als erledigt betrachten. Danach kommt es im Endspurt zum Dreieckgenerator mit zwei Opamps oder mit einem Opamp und einem Komparator bei höheren Dreieckfrequenzen.

Hier wird akribisch an selbstdurchführbaren kleinen Experimenten gezeigt und erklärt warum ein aktiver Integrator mit einem Opamp als steuerbare konstante Stromquelle zwischen Ausgang und invertierendem Eingang arbeitet und dies die wichtigste Aufgabe ist um eine Dreieckspannung zu erzeugen.

Nach dieser Exkursion kommt es zur praktischen Schaltung, bei der die Dreieckspannung, die Frequenz, die DC-Offsetspannung und die Dreiecksymmetrie eingestellt werden kann.  Diese Schaltung dient u.a. dem folgendem Elektronik-Minikurs:

Beim einfachen Dreieckgenerator, bestehend aus einem Integrator (Opamp) und Schmitt-Trigger (Komparator), beeinflusst die Spannungseinstellung die Frequenz. Daher eignet sich diese Schaltung vorwiegend dann, wenn nur eine feste Spannung justiert werden muss, jedoch die Frequenz frei einstellbar sein soll. Mit einer zusätzlichen kleinen Opampschaltung kann man beides von einander unabhängig realisieren.

Im letzten Kapitel geht es noch um einen Dreieckgenerator der anstelle mit einer symmetrischen Betriebsspannung (±Ub) nur mit einer einfachen (+Ub) arbeitet. Hier sind die Tücken der korrekten Arbeitspunkt- bzw. Referenzspannung thematisiert.

Wer nach diesen einleitenden Worten an den Details interessiert ist, empfehle ich diesen neuen Elektronik-Minikurs:


Update: Vom Operationsverstärker bis zum Schmitt-Trigger, kontinuierlich einstellbar. Eine Demoschaltung!

Die leicht nachbaubare Demoschaltung ermöglicht es mit nur einem Potmeter die Wirkung der Verstärkung und des Komparators, ohne und mit Hysterese (Schmitt-Trigger), mit kontinuierlicher Änderung einzustellen. Es beginnt mit der Verstärkung 1. Durch Drehung am Potmeter erhöht sich die Verstärkung bis zum positiven und negativen Spannungslimit, gegeben durch die Betriebsspannung und durch die Endstufe der Verstärkerschaltung. Ist die Mitkopplung gleich stark wie die Gegenkopplung, zeigt die Schaltung, wie der Komparator arbeitet. Die Umschaltung des Ausgangspegels erfolgt mit jedem Nulldurchgang des Eingangspegels. Dreht man am Potmeter weiter in Richtung mehr Mit- und weniger Gegenkopplung, zeigt sich die typische Schmitt-Trigger-Eigenschaft.

Das Update besteht in einer vollständigen Überarbeitung von Text und Bild und in der Erweiterung einer verbesserten Darstellung der Signale auf dem Bildschirm des Oszilloskops. Auf Grund der nicht symmetrischen Aussteuerung eines Opamps in seiner Komparatorfunktion, wird für diese Verbesserung eine kleine zusätzliche Netzteilschaltung mit beinah symmetrischer Ausgangsspannung benötigt. Diese schwache Asymmetrie wird mittels Trimmpotmeter präzis abgeglichen. Damit wird die optimale Signalwiedergabe gewährleistet.

Während dieses Updates stellte ich fest, dass der verwendete nicht-kompensierte Opamp TL080 nicht mehr hergestellt wird. Während etwa eines Monats zeigte sich aber der selbe konstante Restlagerbestand von knapp mehr als 400 Stück (Okt./Nov. 2010) bei FARNELL. Dies bedeutet, dass dieser Opamp kaum noch gekauft wird. Die Gründe dafür sind einleuchtend. Dazu kommt, dass es je länger desto schwieriger ist generell passende nicht-kompensierte Opamps zu erhalten. Also entwickelte ich mit Tricks eine Schaltung die mit zwei „normal“ kompensierten Opamps funktioniert, wenn auch nicht ganz so ideal in der optischen Darstellung wie bei der ursprünglichen Schaltung. Trotzdem kann man die genannten Funktionen und die Grenzen der Stabilität darstellen.

Dieser Elektronik-Minikurs eignet sich vor allem für Lehrer und Dozenten, die mit einer diesen beiden Demoschaltungen den Studenten vorführen möchten, wie Verstärker, Komparator und Schmitt-Trigger arbeiten und auf was es betreffs stabiler Arbeitsweise ankommt. Man kann zusätzlich anschaulich zeigen, was passiert, wenn im Gegenkopplungsbereich eine gewisse Phasenreserve nicht eingehalten wird. Es geht um die Frequenzgangkompensation. Es hat in dieser Demoschaltung daher auch ein Trimmkondensator mit dem man den Grad der Frequenzgangkompensation der gesamten Schaltung einstellen kann.

Wie die zusätzliche Netzteilschaltung arbeitet, liest man neu im Kapitel LM317/LM337: ASYMMETRISCHE AUSGANGSSPANNUNG FÜR SPEZIALEINSÄTZE in: