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MarkF(R)

05.12.2018,
17:28
 

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise (Schaltungstechnik)

Hallo,

ich habe eher grundlegende Fragen zur Funktionsweise eines OP als Differenzverstärker:

Die gängige Beschreibung ist, daß die Differenz der Spannungen an den beiden Eingängen gebildet, also die Spannung am i-Eingang von der am ni-Eingang subtrahiert, und dann das Ergebnis entsprechend der eingestellen Verstärkung verstärkt wird.
Aber ist das wirklich so und werden nicht vielmehr erst die Spannungen verstärkt und dann die Differenz gebildet?

Beispiel:
OP vom 324er Typ. Unipolare Spannungsversorgung 20V. Verstärkung 5. Spannung an i-Eingang 15V, Spannung am ni-Eingang 13V. Kommen am Ausgang wirklich (15-13)*5 = 10V heraus?

Und wie ist das Verhalten bei negativen Eingangsspannungen bis -0,7V bei unipolarer Spannungsversorgung: Besteht da ein Unterschied zum Funktionieren bei positiven Spannungen? Ich habe hier ein Phänomen, das ich mir nicht erklären kann - vielleicht kennt einer von euch die Lösung/Erklärung:
Ein OP 1/2 LM358 (der tut es in der konkreten Anwendung völlig und die nahezu vollständige Aussteuerung bis Masse bei unipolarer Versorgung ist conditio sine qua non) als Differenzverstärker beschaltet, 2x 22k/180k (wenn ich mich richtig erinnere, kann aber auch 22k/150k gewesen sein). Unipolare Spannungsversorgung ca. 16V. An den beiden Eingängen die aus dem oberen Bild ersichtlichen Spannungsverläufe, oben der ni-Eingang, unten der i-Eingang, 0V ist bei der flatline. D.h. der Eingang erhält kurzzeitig eine Spannung von ca. -0,7V (es sollten eigentlich -0,4V sein, da eine inverse BAT85 die negative Spannung nach Masse klemmt). Das Ausgangssignal sieht man auf dem unteren Bild oben.
Wie kommt das zustande, wie läßt sich das erklären? Erwartet hätte ich Massepegel.
Parallel dazu habe ich den zweiten 1/2 LM358 als einfachen ni-Verstärker, Schaltung wie der Diff-OP und der Einfachheit halber den Widerstand am i-Eingang auf Masse geklemmt, beschaltet und den ni-Eingang an dasselbe Signal wie der ni-Eingang beim Diff-OP gelegt. Dessen Ausgangssignal sieht man auf dem zweiten Bild unten und entspricht in etwa meiner Erwartung (naja, mit Ausnahme des während des Eingansspulses etwas weniger positiven Ausgangs, aber darauf kommt es nicht an).



Kendiman(R)

05.12.2018,
20:02
(editiert von Kendiman
am 05.12.2018 um 20:09)


@ MarkF

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» Beispiel:
» OP vom 324er Typ. Unipolare Spannungsversorgung 20V. Verstärkung 5.
» Spannung an i-Eingang 15V, Spannung am ni-Eingang 13V. Kommen am Ausgang
» wirklich (15-13)*5 = 10V heraus?
»
Nein !
So einfach geht das bei unipolarer Spannungsversorgung nicht !
Der eine Spannungsteiler liegt dann auf Betriebsspannung statt auf dem Bezugspunkt.
Vorsicht bei unipolarer Spannungsversorgung.
Bei bipolarer Spannungsversorgung alles kein Problem ! ;-)

MarkF(R)

06.12.2018,
13:38

@ Kendiman

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» » Beispiel:
» » OP vom 324er Typ. Unipolare Spannungsversorgung 20V. Verstärkung 5.
» » Spannung an i-Eingang 15V, Spannung am ni-Eingang 13V. Kommen am Ausgang
» » wirklich (15-13)*5 = 10V heraus?
» »
» Nein !

"Nein" was?

» So einfach geht das bei unipolarer Spannungsversorgung nicht !
» Der eine Spannungsteiler liegt dann auf Betriebsspannung statt auf dem
» Bezugspunkt.

Du meinst den Spannungsteiler vor dem ni-Eingang?
Da muß ich Dir widersprechen. Mit dem Opa 324 ist es so einfach. Schon in meinem T/S von 1986 steht auf S.155, daß die unipolare Spannungsversorgung mit der negativen Spannung auf Masse möglich ist, wenn/solange sich die Signale im positiven Bereich bewegen, und beim LM324 auch bis Nullpotential gehen können. Daher auch der Opa 324 und abgesehen von dem im Skop-Bild ersichtlichen Bereich als Diff-Amp funktioniert er ja "eigentlich" auch wie er soll; als einfacher Verstärker kommt er auch mit den -0,7V am Eingang zurecht und macht daraus eben 0V.

Was aber mit meiner ersten gestellten Frage nichts zu tun hat, diese ist ist ja grundsätzlicher Natur.

Vermutlich spielt bei meiner zweiten Frage der Umstand der unipolaren Spannungsversorgung eine Rolle, aber ich verstehe nicht, wieso dieses Ausgangssignal zustandekommt und nicht wie beim einfachen Verstärker 0V rauskommen oder irgendein Spannungsverlauf, der sich ersichtlich aus den Eingangsspannungen ableiten läßt.

schaerer(R)

Homepage E-Mail

Zürich (Schweiz),
06.12.2018,
15:50

@ MarkF

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» Du meinst den Spannungsteiler vor dem ni-Eingang?
» Da muß ich Dir widersprechen. Mit dem Opa 324 ist es so einfach. Schon in
» meinem T/S von 1986 steht auf S.155, daß die unipolare Spannungsversorgung
» mit der negativen Spannung auf Masse möglich ist, wenn/solange sich die
» Signale im positiven Bereich bewegen, und beim LM324 auch bis Nullpotential
» gehen können. Daher auch der Opa 324 und abgesehen von dem im Skop-Bild
» ersichtlichen Bereich als Diff-Amp funktioniert er ja "eigentlich" auch wie
» er soll; als einfacher Verstärker kommt er auch mit den -0,7V am Eingang
» zurecht und macht daraus eben 0V.

Genau so trifft dies auch auf die LinCMOS-Familie TLC271, TLC272 und TLC274 zu, .... um wieder mal darauf aufmerksam zu machen.

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
http://tinyurl.com/timerbuch
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
http://tinyurl.com/opamp-instrumamp-buch

Altgeselle(R)

E-Mail

06.12.2018,
16:54

@ schaerer

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» » Du meinst den Spannungsteiler vor dem ni-Eingang?
» » Da muß ich Dir widersprechen. Mit dem Opa 324 ist es so einfach. Schon
» in
» » meinem T/S von 1986 steht auf S.155, daß die unipolare
» Spannungsversorgung
» » mit der negativen Spannung auf Masse möglich ist, wenn/solange sich die
» » Signale im positiven Bereich bewegen, und beim LM324 auch bis
» Nullpotential
» » gehen können. Daher auch der Opa 324 und abgesehen von dem im Skop-Bild
» » ersichtlichen Bereich als Diff-Amp funktioniert er ja "eigentlich" auch
» wie
» » er soll; als einfacher Verstärker kommt er auch mit den -0,7V am Eingang
» » zurecht und macht daraus eben 0V.
»
» Genau so trifft dies auch auf die LinCMOS-Familie TLC271, TLC272 und TLC274
» zu, .... um wieder mal darauf aufmerksam zu machen.

Hallo,
äh...nein und nein.
Sowohl die LM324 als auch die TLC271 Familie vertragen bei Single Supply
nur -0,3V bzw. -0,2V an den Eingängen. Darüber hinaus ist die Funktion
nicht mehr gewährleistet.

Dann darf ich mal aus dem ersten Post zitieren:
» OP vom 324er Typ. Unipolare Spannungsversorgung 20V. Verstärkung 5.
» Spannung an i-Eingang 15V, Spannung am ni-Eingang 13V. Kommen am Ausgang
» wirklich (15-13)*5 = 10V heraus?

Es gilt (13V-15V)*5 = -10V, Siehe: https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm
Da der Common-Mode Bereich beim -Eingang unterschritten ist, wird "irgendetwas" am Ausgang
erscheinen, möglicherweise 0V.

Grüße
Altgeselle

schaerer(R)

Homepage E-Mail

Zürich (Schweiz),
06.12.2018,
17:09

@ Altgeselle

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» Hallo,
» äh...nein und nein.
» Sowohl die LM324 als auch die TLC271 Familie vertragen bei Single Supply
» nur -0,3V bzw. -0,2V an den Eingängen. Darüber hinaus ist die Funktion
» nicht mehr gewährleistet.

Richtig, die Grenze liegt bei 0 V. Ich habe nix anderes behauptet, nur dass mit genau diesem Grenzwert der BJT-LM324 und dieser genannte LinCMOS funktionsidentisch sind. Also nur grad in diesem Sinne. Wenn es z.B. um die einzelnen Parameter geht, gibt es natürlich Abweichungen. Ich gehe da jetzt nicht in Details.

» » OP vom 324er Typ. Unipolare Spannungsversorgung 20V. Verstärkung 5.
» » Spannung an i-Eingang 15V, Spannung am ni-Eingang 13V. Kommen am Ausgang
» » wirklich (15-13)*5 = 10V heraus?
»
» Es gilt (13V-15V)*5 = -10V, Siehe:
» https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm
» Da der Common-Mode Bereich beim -Eingang unterschritten ist, wird
» "irgendetwas" am Ausgang
» erscheinen, möglicherweise 0V.

Okay. Das stimmt.

Übrigens ich würde es sehr schätzen, anstatt einen Haufen zu schreiben, dies zu reduzieren und dafür eine kleine Skizze zeichnen. Ich denke das geht manch anderem ebenso. Das geht also Dich was an MarkF, falls Du das hier liest. In diesem Fall danke ich für Dein wohlwollendes Verständnis zum Voraus. :-)

--
Gruss
Thomas

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MarkF(R)

07.12.2018,
14:25

@ schaerer

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» » Es gilt (13V-15V)*5 = -10V, Siehe:
» » https://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Naja, die "Formel" kenne ich auch, meine Frage ist, ob dies wirklich technisch so geschieht, also ob wirklich - technisch/elektronisch - erst die Differenz der Spannung gebildet und dann die Spannung "multipliziert" wird.

» » Da der Common-Mode Bereich beim -Eingang unterschritten ist, wird
» » "irgendetwas" am Ausgang
» » erscheinen, möglicherweise 0V.

Ja, offensichtlich erscheint "irgendetwas" am Ausgang, nämlich diese merkwürdige Kurve, aber mich interessiert warum und es sollte sich doch vorher sagen und errechnen lassen, was bei Eingangsspannungen kleiner als 0,4V geschieht.
»
» Übrigens ich würde es sehr schätzen, anstatt einen Haufen zu schreiben,
» dies zu reduzieren und dafür eine kleine Skizze zeichnen. Ich denke das
» geht manch anderem ebenso. Das geht also Dich was an MarkF, falls Du das
» hier liest. In diesem Fall danke ich für Dein wohlwollendes Verständnis zum

Ich ging davon aus, daß jeder, der hier etwas beitragen möchte, im Schlaf die Beschaltung einen OP als Differenzverstärker (Subtrahierer) aufsagen kann. Aber gut, kein Problem, anliegend die Skizze.



Altgeselle(R)

E-Mail

07.12.2018,
16:35

@ MarkF

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» Ja, offensichtlich erscheint "irgendetwas" am Ausgang, nämlich diese
» merkwürdige Kurve, aber mich interessiert warum und es sollte sich doch
» vorher sagen und errechnen lassen, was bei Eingangsspannungen kleiner als
» 0,4V geschieht.
» »
Du meinst wohl -0,4V??
Bei Spannungen von kleiner als -0,4V beginnen die Eingangsschutzdioden
zu leiten. Das Verhalten des Ausgangs wird vom Hersteller nicht spezifiziert.
Tatsächlich kann das Verhalten je nach Hersteller des OPs unterschiedlich sein.
Vor Jahren stellte Philips (heute NXP) einen LM324 her, dessen Eingangsschutzdioden
als Gleichrichter bis ca. 1MHz benutzt werden konnten.
Als Philips den LM324 abkündigte musste ich feststellen, das meine Schaltung mit einem
OP von Ti nicht funktionierte.
Man sollte also nie nicht spezifizierte Eigenschaften von Bauteilen ausnutzen.

Grüße
Altgeselle

schaerer(R)

Homepage E-Mail

Zürich (Schweiz),
07.12.2018,
17:59

@ Altgeselle

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» Als Philips den LM324 abkündigte musste ich feststellen, das meine
» Schaltung mit einem OP von Ti nicht funktionierte.

Ganz sicher nicht mit einem TL074, wohl aber mit dem TLC274 (LinCMOS) wird es gehen, wenn dessen maximal zulässige Betriebsspannung ausreicht. Beide Opamp-Familien sind von TI.

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
http://tinyurl.com/timerbuch
Mein Buch zum Operations- u. Instrumentationsverstärker:
http://tinyurl.com/opamp-instrumamp-buch

Altgeselle(R)

E-Mail

07.12.2018,
19:38

@ schaerer

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» » Als Philips den LM324 abkündigte musste ich feststellen, das meine
» » Schaltung mit einem OP von Ti nicht funktionierte.
»
» Ganz sicher nicht mit einem TL074, wohl aber mit dem TLC274 (LinCMOS) wird
» es gehen, wenn dessen maximal zulässige Betriebsspannung ausreicht. Beide
» Opamp-Familien sind von TI.

Ich meinte einen LM324 von Ti (eigentlich National Semiconductor).
Damals habe ich auch noch andere Hersteller getestet (STM, Fairchild, heute ON-Semi).
Die Schaltung hatte ich von einem Kollegen "geerbt", der in Rente gegangen war. ;-)
Es half nur eine komplette Neuentwicklung.

MarkF(R)

09.12.2018,
14:47

@ Altgeselle

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» Du meinst wohl -0,4V??

Richtig. Tippfehler.

» Bei Spannungen von kleiner als -0,4V beginnen die Eingangsschutzdioden
» zu leiten. Das Verhalten des Ausgangs wird vom Hersteller nicht
» spezifiziert.

Die Spezifikation der Eingänge gehen bis -0,3V.
Ich ging bislang davon aus, daß die Eingangsschutzdioden dafür sorgen, daß diese Spezifikationen eingehalten werden, so daß auch wenn "weniger" als -0,3V (bzw. mehr, je nach Sichtweise), anliegend, diese auf -0,3V geklemmt werden und der OP innerhalb seiner Spezifikationen betrieben wird. An den Anschlüssen, also den R´s 22k, liegen noch BAT85 invers gegen Masse, die "eigentlich" auf -0,4V begrenzen sollten (daher kann ich mir auch die ca. -0,7V nicht so recht erklären.
Wenn das Verhalten im reinen Verstärkerbetrieb, also mit i gegen Masse, identisch wäre, würde ich das nicht weiter hinterfragen, ebenso, wenn eine wie auch immer erkennbar Beziehung zwischen Ein- und Ausgangssignal erkennbar wäre. So aber --- insbesondere kann ich die negativen Eingangsspannungen nicht verhindern und auch eine bipolare Spannungsversorgung ist nicht möglich.

Altgeselle(R)

E-Mail

10.12.2018,
12:29

@ MarkF

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» » Du meinst wohl -0,4V??
»
» Richtig. Tippfehler.
»
» » Bei Spannungen von kleiner als -0,4V beginnen die Eingangsschutzdioden
» » zu leiten. Das Verhalten des Ausgangs wird vom Hersteller nicht
» » spezifiziert.
»
» Die Spezifikation der Eingänge gehen bis -0,3V.
» Ich ging bislang davon aus, daß die Eingangsschutzdioden dafür sorgen, daß
» diese Spezifikationen eingehalten werden, so daß auch wenn "weniger" als
» -0,3V (bzw. mehr, je nach Sichtweise), anliegend, diese auf -0,3V geklemmt
» werden und der OP innerhalb seiner Spezifikationen betrieben wird. An den
» Anschlüssen, also den R´s 22k, liegen noch BAT85 invers gegen Masse, die
» "eigentlich" auf -0,4V begrenzen sollten (daher kann ich mir auch die ca.
» -0,7V nicht so recht erklären.
» Wenn das Verhalten im reinen Verstärkerbetrieb, also mit i gegen Masse,
» identisch wäre, würde ich das nicht weiter hinterfragen, ebenso, wenn eine
» wie auch immer erkennbar Beziehung zwischen Ein- und Ausgangssignal
» erkennbar wäre. So aber --- insbesondere kann ich die negativen
» Eingangsspannungen nicht verhindern und auch eine bipolare
» Spannungsversorgung ist nicht möglich.

Wenn die Eingangsschutzdioden leiten, werden die dort fließenden Ströme für die
Aufrechterhaltung des "virtuellen Kurzschlusses" nicht mehr berücksichtigt und
damit muss die Schaltung falsch rechnen.
Wenn die Versorgungsspannung ausreichend stabil ist, dann kann man vom
invertierenden Eingang einen Widerstand nach +Ub schalten. Der ist so
zu bemessen, dass die Spannung am invertierenden Eingang immer positiv
bleibt.
Natürlich ändern sich damit die Werte aller anderen Widerstände. Aber
dass ist ja leicht auszurechnen...;-)

MarkF(R)

10.12.2018,
12:56

@ Altgeselle

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» Wenn die Eingangsschutzdioden leiten, werden die dort fließenden Ströme für die
» Aufrechterhaltung des "virtuellen Kurzschlusses" nicht mehr berücksichtigt und
» damit muss die Schaltung falsch rechnen.

Das betrifft nur den i-Eingang des OP?

» Wenn die Versorgungsspannung ausreichend stabil ist, dann kann man vom
» invertierenden Eingang einen Widerstand nach +Ub schalten. Der ist so
» zu bemessen, dass die Spannung am invertierenden Eingang immer positiv
» bleibt.
» Natürlich ändern sich damit die Werte aller anderen Widerstände. Aber
» dass ist ja leicht auszurechnen...;-)

Danke. Aber damit bin ich offen gesagt überfordert. Kannst Du mir eine Handreichung geben, wie das geht?

Altgeselle(R)

E-Mail

10.12.2018,
14:02

@ MarkF

OP als Differenzverstärker - Funktionsweise

» » Wenn die Eingangsschutzdioden leiten, werden die dort fließenden Ströme
» für die
» » Aufrechterhaltung des "virtuellen Kurzschlusses" nicht mehr
» berücksichtigt und
» » damit muss die Schaltung falsch rechnen.
»
» Das betrifft nur den i-Eingang des OP?
»
Das betrifft alle Eingänge.
» Danke. Aber damit bin ich offen gesagt überfordert. Kannst Du mir eine
» Handreichung geben, wie das geht?




Es werden benötigt:
Spannungsbereich an E1
Spannungsbereich an E2
Versorgungsspannung Ub
Minimaler EIngangswiderstand
gewünschte Ausgangsspannung Ua.
Man stellt die Übertragungsfunktion (die Spannungsverstärkung) auf, in dem
man Maschen- und Knotengleichungen bildet und dann nach Ua auflöst.
- Vielleicht hat das schon jemand getan und man findet was im Netz. -
Dann wählt man einige Widerstandswerte, so dass man die anderen berechnen kann.
Das geht aber nur, wenn die Eingang- und Ausgangsspannungen innerhalb der
zulässigen Grenzen bleiben.
- Bevor du fragst: ich machs nicht, ist langweilig...:-P

schaerer(R)

Homepage E-Mail

Zürich (Schweiz),
11.12.2018,
21:23

@ Altgeselle

Vorschlag mi Bandgap-Referenz LM385-2.5

» » » Als Philips den LM324 abkündigte musste ich feststellen, das meine
» » » Schaltung mit einem OP von Ti nicht funktionierte.
» »
» » Ganz sicher nicht mit einem TL074, wohl aber mit dem TLC274 (LinCMOS)
» wird
» » es gehen, wenn dessen maximal zulässige Betriebsspannung ausreicht.
» Beide
» » Opamp-Familien sind von TI.
»
» Ich meinte einen LM324 von Ti (eigentlich National Semiconductor).
» Damals habe ich auch noch andere Hersteller getestet (STM, Fairchild, heute
» ON-Semi).
» Die Schaltung hatte ich von einem Kollegen "geerbt", der in Rente gegangen
» war. ;-)
» Es half nur eine komplette Neuentwicklung.

Oft kann man dieses Problem leicht lösen mit andern Opamps die nicht singlesupply-fähig sind, mit einer zusätzlich kleinen negativen Spannung. Ganz einfach und locker stabilisiert mit einem LM385-2.5 (Bandgab-Referenz) auf -2.5 VDC.

--
Gruss
Thomas

Buch von Patrick Schnabel und mir zum Timer-IC NE555 und LMC555:
http://tinyurl.com/timerbuch
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