Differenzverstaerker

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Hallole,

ich habe ein Problem mit einem OP als Differenzverstärker:

Ich möchte die über einen Lastwiderstand (als Bestandteil eines
Kurzschlußschutzes) von 0R18 abfallende Spannung im Rahmen einer
einfachen Lastanzeige abgreifen und auswerten. Da der Lastwiderstand
mit keine Seite an Masse, Minus oder Plus hängt, dachte ich an einen
OP als Differenzverstärker (Substrahierer) - und zwar den "geliebten"
LM324 (die anderen OP werden für die Lastanzeige an sich verwendet):

             |\
E1 --12k-+---|+\
         |   |  |---+--- A
E2 --12k-|-+-|-/    |
          | | |/     |
         | |        |
         | +--68k---+
         |
        68k
         |
        GND

Der OP wird unipolar mit 20V versorgt. Die Spannung am Lastwiderstand
bewegt sich im negativen Bereich, d.h. im Ruhezustand liegt an beiden
Anschlüssen und damit an E1 und E2 ca. -19V an, im Betrieb steigt der
Spannungsabfall über den Lastwiderstand bis auf ca. 0,6V an, d.h. die
Spannung an E2 bleibt bei ca. -19V und die Spannung an E1 liegt bei
ca. -18,4V.
Dummerweise funktioniert das nicht: Im Ruhezustand führt der Anschluß
von E1 an den Lastwiderstand zum "Vollauschlag" von 18,5V (also die
bekannten 1,5V unter Versorgungsspannung). daran ändert sich auch
nicht, wenn E2 angeschlossen oder E2 und E1 verbunden sind. Letzteres
irritiert mich schon etwas, denn bei verbundenem E1 und E2 ist die
Differenz doch 0V, so daß auch der Ausgang um die 0V liegen müßte.
Aber ich nehme an, daß die Ursache darin liegt, die daß
Eingangsspannungen dieses (simplen) Differenzververstärkers im Bereich
der Versorgungsspannung - hier also 0 bis 20V - liegen müssen.
Testweise habe ich die Schaltung mal so geändert, daß nun der
Lastwiderstand (ebenfalls 0R18) im positiven Zweig liegt, also an
beiden Anschlüssen des Lastwiderstands im Ruhezustand eine Spannung
von ca. 19V anliegt und bei "Vollausschlag" am Lastwiderstand wie
vorher eine Spannung von ca. 0,6V abfällt, so daß dann an E2 ca. 18,4V
anliegend würden. Nun tritt aber merkwürdigerweise der Effekt auf, daß
beim Anschluß von E1 am "positiven" Anschluß des Lastwiderstands und
von E2 an dessen "negativen" Anschluß der OP eine Ausgangsspannung von
0,7V hat - und zwar auch dann, wenn ich den Lastwiderstand überbrücke,
also E1 und E2 verbinde. Ohne Anschluß von E1 oder E2 an den
Lastwiderstand - aber E1 und E2 verbunden - ist die Ausgangsspannung
des OP nahezu 0V. Diese Spannung von 0,7V kann ich mir nun überhaupt
nicht mehr erklären, denn im Ruhezustand bzw. mit kurzgeschlossenem
Lastwiderstand besteht ja auch keine Differenz zwischen E1 und E2 und
da die Spannung mit 19V unterhalb der Betriebsspannung liegt, dürfte
es daran doch auch nicht liegen. Das gleiche ist bei reduzierter
Spannung an E1/E2 der Fall, also etwa E1 und E2 gemeinsam an 15V (und
auch, wenn E1 offen bleibt und nur E2 an besagten 19V oder an 15V
liegen).
So komme ich nicht weiter. Kann mich jemand erleuchten?

Beste Grüße

Dr. Michael König
--
    RA Dr. M. Michael König * Anwaltskanzlei Dr. König & Coll.
          D-65843 Sulzbach/Ts. * Antoniter-Weg 11
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Re: Differenzverstaerker
"RA Dr.M.Michael König" schrieb:
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Eigentlich sogar etwas unter der VCC, also max. 18,5V. Die Variante mit
den negativen Eingangsspannungen kann also gar nicht funktionieren.

Quoted text here. Click to load it

Der LM324 kann nur bis 0V Ausgang runter, wenn der Ausgang fast keinen
Strom aufnehmen muß (weniger als 40µA). Wenn da mehr fließt, und das
passiert in deiner Schaltung durch die Widerstände von den ca. 18V her,
dann kommt er nur bis auf einige 100mV runter. Entweder du änderst deine
Schaltung so, daß du mit den 0,7V min Ausgangsspannung leben kannst,
oder verwendest einen echten Rail to Rail OP, der mehr Strom kann.

Martin

Re: Differenzverstaerker II
Am Fri, 12 Sep 2003 14:46:10 +0200, meinte Martin Lenz

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Schon mal schlecht ... :-(
Quoted text here. Click to load it

Aha. Das wird also in Bild DS009299-44 ausgedrückt ...

Quoted text here. Click to load it

Oder ich sorge dafür, daß der Ausgang nur mit max 40uA belastet wird
..
Da der Ausgang nur durch den 68k zum inv.Eingang und dann weiter mit
12k zum Lastwiderstand gegen Plus "belastet" wird, müßte doch eine
Vergrößerung der Widerständ um den Faktor10 eine Änderung bringen,
denn 20V/800k sind nur 25uA. Aber Pustekuchen: es sind nicht nur nach
wie vor ca. 650mV am Ausgang sondern überdies ist dies ein dauerhafter
"offset": Bei 68k/12k hat sich der OP ab ca. 130mV Spannungsfall über
dem Lastwiderstand (also ca. 700mA) wie an sich erwartet: Die
Ausgangsspannung in Volt entsprach ungefähr dem Strom durch den
Lastwiderstand in Ampére. Nunmehr, also mit 680k/120k - ist die
Ausgangsspannung immer ca. 650mV größer als sie rechnerisch sein
dürfte. Also ein noch unbrauchbareres Ergebnis - und noch weniger zu
erklären, oder?
Beim "Rückbau" auf 68k/12k bleibt es bei den 650mV "offset" nur im
Ruhezustand.

Beste Grüße

Dr. Michael König

--
    RA Dr. M. Michael König * Anwaltskanzlei Dr. König & Coll.
          D-65843 Sulzbach/Ts. * Antoniter-Weg 11
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Re: Differenzverstaerker II
"RA Dr.M.Michael König" schrieb:
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Ich hatte hier auch schon diff.verstärker mit LM324 und bei mir hat das
anheben der Rückkopplungswiderstände auf 700k..800k eine deutliche
Verringerung der Mindestausgangsspannung (nicht Offset) gebracht. Ich
habe die ganze Sache dann aber eh gröber umgestrickt wg. galv. Trennung
usw.

Martin

Re: Differenzverstaerker II
Hallole,

ich habe jetzt noch einmal den Kram neu aufgebaut und dabei die
Eingangswiderstände auf 100k und die Rückkopplungswiderstände (bzw.
den nach Masse) auf 680k hochgesetzt. Dadurch reduziert sich die
Ausgangsspannung bei kurzgeschlossenen und auf Masse gelegten
Eingangswidersänden deutlich auf weit unter 0,1V. Zugleich habe ich
testweise die Versorgungsspannung auf 25V vergrößert, um ganz sicher
mit den Eingangsspannungen im Betriebsspannungsbereich zu bleiben.
Verarbeite ich Eingangsspannungen gegen Masse (also den Eingangs-R vom
inv. Eingang auf Masse) klappt das problemlos und die Verstärkung
liegt korrekt bei ca. 7.
Aber: Lege ich die beiden Eingänge über den Strommeßwiderstand 0R18
(ca. 18,5V auf der positiven Seite), dann _ändert_ sich die
Verstärkung mit dem Spannungsabfall über dem 0R18: Bei 0,61A durch den
0R18 ist die Verstärkung 4,8, bei 1,2A ist sie ca. 5,8 und steigt
weiter an bis sie bei 1,68A durch den 0R18 6,2 beträgt. Bei höherem
Strom steigt die Verstärkung noch weiter an. Der Spannungsabfall über
den 0R18 selbst ist aber o.k. und entspricht U=R*I, das habe ich
vorsorglich nachgemessen. Da die Schaltung aber, wie gesagt, an sich
(d.h. mit Spannungen gegen Masse) korrekt fusioniert und die maximale
Eingangsspannung mehr als 6V unter der Betriensspannung liegt, bin ich
absolut ratlos.
Kann mir jemand diesen Effekt erklären?

Übrigens: Der 680k gegen vom ni-Eingang Masse muß nicht an virtuelle
Masse (halbe Betriebsspannung). Dadurch würde sich die
Ausgangsspannung auf die halbe Betriebsspannung einstellen - und was
soll ich damit anfangen? Die Spannung über den 0R18 muß gegen Masse
erscheinen und weiterverarbeitet werden. Siehe auch die
Applikationsschrift des LM324 S.12 rechts unten: Da ist der
Differenzverstärker für unipolare Versorgung ebenso ausgeführt, d.h.
mit dem R vom inv.Eingang gegen Masse wirklich an Masse als neg.
Betriebsspannung.

Übrigen steht in der Appliaktionsschrift auf S.8 (zur unipolaren
Versorgung) auch:
"The differential input voltage may be larger than V + without
damaging the device. " -
was doch wohl bedeutet, daß die Eingangsspannungen nicht im Bereich
der Betriebsspannung liegen müssen.
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    RA Dr. M. Michael König * Anwaltskanzlei Dr. König & Coll.
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Re: Differenzverstaerker II
Am Mon, 15 Sep 2003 14:45:03 +0200, meinte Martin Lenz

Quoted text here. Click to load it

???

Quoted text here. Click to load it

Wie schon geschrieben, sie sind ausgemessen und auf weniger als 0,1%
genau,
Wie würden sich denn zu weit tolerierte Widerstände auswirken?

Quoted text here. Click to load it

Ja, genau. Wie oben geschrieben
"Bei 0,61A durch den 0R18 ist die Verstärkung 4,8, bei 1,2A ist sie
ca. 5,8 und steigt weiter an bis sie bei 1,68A durch den 0R18 6,2
beträgt."
Je größer der Strom durch den 0R18 (also je größer die Meßspannung)
destgro größer wird die Verstärkung. Dies aber nur, wenn ich "oben" im
Bereich von ca. 18V messe. Gegen Masse gemessen bleibt die Verstärkung
konstant bei 7, egal wie groß die gemessen Spannung ist.
Quoted text here. Click to load it

Ja, prima, nur bislang hieß es hier, ohne virtuelle Masse könne die
Schaltung nicht fusionieren.

Beste Grüße

Dr. Michael König
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Re: Differenzverstaerker II

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Deine Schlatung ist etwas schwer lesbar;
also einigen wir uns mal auf folgende Schaltung:

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm


Quoted text here. Click to load it

OK, aber dann muss R4 an eine *virtuelle Masse* gelegt werden
sonst geht es nicht!!  [bzw. nur in Ausnahmefällen]

Die Ausgangsspannung ist dann eben auf diese virtuelle Masse bezogen.

Die virt. Masse liegt genau in der Mitte der Betriebsspannung.
Am einfachsten stellt man die virt. Masse mit einem Stannungsteiler her.
siehe: http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/opa1.htm
Abschnitt: "Die Ub/2-Referenz und der synthetische GND"


Quoted text here. Click to load it

Abgleich eines Differnzverstärkers:
man macht einen Widerstand veränderbar (Poti) und schaltet
beide Eingänge an eine Wechselspannung.
Der Ausgang wird mit einem Audioverstärker (Stereoanlage)
abgehört.
Bei optimaler Abstimmung des Poti erreicht die Lautstärke
ein Minimun.
Die Fehler des OP-Amps (CMRR-common mode rejection ratio)
verhindern, dass man überhaupt nicht mehr hört.


Andreas


Re: Differenzverstaerker II
Am Fri, 12 Sep 2003 17:21:11 +0200, meinte "Andreas Schmidt"

Quoted text here. Click to load it

Das gleiche ....
Quoted text here. Click to load it

Warum? Welche Ausnahmen?
Als Amateur will ich nicht klugscheißen, aber ich habe des öfteren
unipolare OP-Schaltungen gesehen, die ohne virtuelle Masse
funktionieren. Und wenn etwa keine Invertierung erfolgt ....
Hier sorgt R4 doch nur dafür, daß die Spannung Ue1 entsprechend der
Verstärkung durch R1/R2 reduziert wird.
Außerdem funktioniert der Differenzverstärker doch - mit Ausnahme des
merkwürdigen "Offsets" ja wie er soll - was er aber nicht dürfte, wenn
die Masseanbindung falsch wäre.

Quoted text here. Click to load it

Sorry, das soll natürlich "Widerstände" heißen.

Quoted text here. Click to load it

Das wäre hier mit Kanonen auf Spatzen geschossen.

Beste Grüße

Dr. Michael König
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Re: Differenzverstaerker II
snipped-for-privacy@drkoenig.de (RA Dr.M.Michael König) wrote in message >              |\
Quoted text here. Click to load it

Für den Fall hätte ich einen TLC2274 oder TLC274, in den
Aktiv-Gleichrichter 'Trickschaltungen' ohne Dioden erweisen die sich
als weitaus
zuverlässiger als ein LM324. Order mal bei www.ti.com ein Muster und
probiers aus. Da dies ein FET OP ist kannst du die Widerstände um
Faktor 10 vergrößern, dann kommen die Rail2Rail Eigenschaften, die du
benötigst für 0 Ampere, besser zur Geltung.

Datenblatt des TLCxxxx natürlich bei http://www.ti.com

Gruß

Lutz

Re: Differenzverstaerker II
Am 15 Sep 2003 23:01:40 -0700, meinte snipped-for-privacy@gmx.de (Lutz):

Quoted text here. Click to load it

Dann tritt diese variable Verstärkung nicht auf? Aber mich würde doch
wirklich der Grund dafür interessieren, warum mit 120k/680k die
Verstörkung mit zunehmender Meßspannung zunimmt.

Beste Grüße

Dr. Michael König
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Re: Differenzverstaerker II
Hallo Michael,

du interprtierst die Ausgangsspannung zu Eingangsspannung als
verstärkung, das ist soweit der OP innerhalb seiner Spec betrieben
wird auch o.k.
Es ist aber beim LM324 (ein Einfachst OP) so dass der keine Rail to
Rail Eingämge und auch keine solche Ausgänge hat. Weiterhin bekommt
der Probleme wenn die Spannung an den Eingängen unterhalb der
Betriebsspaannung ist, der hat schon Probleme wenn sie sich innerhalb
der Betriebsspannungsgrenzen in die Nähe der Betriebspannung bewegt.
Wenn der OP aber die negative Eingangsspannung sieht dann muss der
aber ganz schnell gegenkoppeln um die EIngangsspannung nicht ins
negative abfallen zu lassen, wenn dies nicht passiert und die
Differenz zwischen den Eingängen zu groß wird dann verhält der sich
'undefiniert', in diesem Fall kann man nicht mehr von verstärkung
reden, somit es diese nicht gibt und demnach auch nicht variable ist.
Das Problem hatte ich mit dem genannten Vollweggleichrichter ohne
Dioden, ist vom Ansatz her das gleiche weil auch hier wenn nicgt
schnell genug gegengekoppelt wird der Eingang negativ ist und dann
Schluss ist mit Verstärkung. Der OP hatte zwar Rail2Rail Ein und
Ausgänge hatte aber Probleme mit negativen Eingangsspannungen, da hing
der dann auch am oberen Ende der Betriebspannung und machte jede 2.
Halbwelle ganz kleine Sinuse, das ist dann nur mit internen
Ersatzschaltbildern sofern sie da vorhanden sind teilweise zu
erklären.
Lass dir von TI ein kostenloses Muster kommen und probiers aus, kannst
du online bestellen und dann wirst du hoffentlich den Strom messen
können.

Wenn du interesse hast den TLC zu verwenden schreib mir eine Email,
dann werde ich das ganze Montag auf der Arbeit mal mit pSpice
simulieren und dir das Ergebniss zumailen.

Gruß

Lutz

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Re: Differenzverstaerker II
Am 26 Sep 2003 10:40:20 -0700, meinte snipped-for-privacy@gmx.de (Lutz):

Quoted text here. Click to load it

Das glaube ich gerne. Aber diese Situation habe ich hier nicht. Die
Eingangsspannungen sind von negativen Spannungen weit, weit entfernt
und der Abstand zur Versorgungsspannung ist mit deutlich über 1,5V
groß genug.

Quoted text here. Click to load it

Av
ber auch das ist bei mir nicht der Fall: Die Eingangsspannung kommt
definitiv nicht weiter als >1,5V an die Betriebsspannung heran.

Quoted text here. Click to load it

Und der kann all das, was der 324 nicht kann? Auch (beim
Differenzverstärker) Spannungen verarbeiten, die größer sind als die
Betriebsspannung?

Beste Grüße

Dr. Michael König
--
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Re: Differenzverstaerker II
Hallo Michael,

Quoted text here. Click to load it
Zumindest müssen die Eingangsspannungen des OPs im "erlaubten" Bereich
liegen. Für den hier gezeichneten Differenzverstärker gilt, daß im
Arbeitsbereich der "+"-Eingang des OPs im erlaubten Bereich für den OP
liegen muß - und der ist deutlich unter 0V, was beim "geliebten 324"
Probleme macht.

Von LT gibt es für solche Anwendungen "Over-the-Top"-OPs, die auch
Eingangsspannungen außerhalb der Betriebsspannung verkraften - aber die
sind so richtig teuer und evtl. auch Overkill für die Anwendung.

Quoted text here. Click to load it
Wahrscheinlich wird der OP immer noch außerhalb des erlaubten
Eingangsbereichs betrieben. Beim 324 dürfen die Eingänge nicht allzu nahe
an der positiven Versorgungsspannung liegen, da der 324 IMHO
PNP-Eingangsstufen hat.

Was für die testweise geänderte Variante helfen könnte:
Die momentane Schaltung teilt die Eingangs-Gleichtaktspannung über den
12k/68k Teiler nur unwesentlich herunter. Wenn es möglich ist, die (durch
dieses Verhältnis gewollte) Verstärkung der Differenzstufe
herunterzusetzen, sinkt auch die Eingangsspannung der OPs.
Testweise würde ich die Verstärkung auf 1 heruntersetzen, also z.B. die 68k
Widerstände mal durch 12k ersetzen. Die verlorengegangene Verstärkung müßte
dann in einer weiteren Stufe realisiert werden - vielleicht ist ja noch 1
OP des 324 frei?

Wichtig ist bei dieser Schaltung auch die Toleranz der Widerstände (sie
geht sehr stark in den Ausgangsoffset ein). Im Zweifelsfalle würde ich die
Widerstände ausmessen und selektieren.



Tom


--

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Re: Differenzverstaerker II
Am Fri, 26 Sep 2003 21:40:32 +0200, meinte Thomas Langhammer

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Nein, ist er nicht. Ich beschränke mich auf das Verarbeiten von
positiven Spannungen, die auch unterhalb von Ub -1,5V liegen.

Quoted text here. Click to load it

Der ist in der Tat schnell erreicht.
Quoted text here. Click to load it

Nein. Der Grund ist wohl, wie bereits gepostet, daß der Ausgang des OP
zu sehr gegen Ub belastet wird. Bei "hochohmigem"
Rückkopplungswiderstand reduziert sich die Spannung bis auf Null - was
bei zu hohen Widerständen auch am Eingang (was wegen der Begrenzung
der Verstärkung erforderlich ist) aber zu dem beschriebenen Effekt der
nichtlinearen Verstärkung führt.

Quoted text here. Click to load it

Entsprechend der Verstärkung des OP.

Quoted text here. Click to load it

Das wäre sicherlich noch schlimmer, denn den Rückkopplungswiderstand
muß ich ihm hundert-k-Bereich lassen - und eine entsprechende
Vergrößerung der Eingangsswiderstände würde die Nichtlinearität
sicherlich noch vergrößern.

Quoted text here. Click to load it

Leider nein. Die anderen drei OP sind bereits verwendet.

Quoted text here. Click to load it

Wie bereits eingangs geschrieben habe ich dies getan und so eine
Genauigkeit von unter 0,2% erreicht.

Beste Grüße

Dr. Michael König
--
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Re: Differenzverstaerker II
Am Fri, 12 Sep 2003 13:12:51 +0200, meinte Wolfgang Mahringer

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Ich muß es gestehen... Hier nochmal:

             |\
E1 --12k-+---|+\
         |   |  |---+--- A
E2 --12k-|-+-|-/    |
         | | |/     |
         | |        |
         | +--68k---+
         |
        68k
         |
        GND

Quoted text here. Click to load it

Beim Test mit dem Laswiderstand im positiven Spannungsbereich: Ja,
knapp. Die Versorgungsspannung ist etwas über 20V und die maximale
Spannung an E1 etwas unterhalb 19V; die Differenz beträgt in der Tat
knapp 1,5V.
Allerdings erklärt dies doch wohl nicht diesen "offset", oder?

Beste Grüße

Dr. Michael König
--
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Re: Differenzverstaerker
On Fri, 12 Sep 2003 13:19:25 GMT, snipped-for-privacy@drkoenig.de (RA Dr.M.Michael

Hi!

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Dann hilf dem Opamp doch mit einem nachgeschalteten Transistor in
Emitterschaltung:

               Ub
               |
               R
               2
               |
               o----out
  |\           |
  | \        |/
  |  ---R1---|   NPN
  | /        |\
  |/           |
              GND

R1 = 10..100*R2

So kann der Opamp 0V an "out" erzeugen. Rückgekoppelt wird von "out".
Da Du hiermit invertierst, musst Du die Eingänge am OP vertauschen. R2
richtet sich nach Deiner Last (incl Rückkopplung). Treibst Du die
Verstärkung zu hoch (R1/R2 zu klein) könnte es zu Schwingneigung
kommen - ist ja aber auch nicht nötig.

Gruß,
Michael.

Re: Differenzverstaerker

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Dazu fällt mir Folgendes ein: Wie sieht es aus, den OPV aus den -19V (an
E2) mit zu versorgen? Die Betriebsspannungs(-schwankungs-)unterdrückung ist
doch eigentlich bei OPV ganz brauchbar. Alle nachfolgenden Sachem muß man
dann logischerweise auch damit versorgen :-( Möglich ist auch, die
Ausgangsspannung "zu drehen". Dafür gibt es was von Maxim. Nur wie genau
das ist, weiß ich nicht. Hab' gerade kein Datenblatt zur Hand.

MfG
Thomas Belau


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