Opamp maar dan niet zo ideaal

Hallo Allemaal,

Sinds kort heb ik mijn elektronica hobby weer een beetje opgepakt.
Ik ben nu aan het spelen met opamp schakelingen.
Een simpele inverterende versterker (die ik ook in een andere post voorbij zag komen), leek simpel totdat ik het op ging bouwen.

- Waarom meet ik niet exact 0V op de uitgang terwijl er 0V op de ingang staat?
- Waarom is mijn Gain toch niet zo exact het was toch gewoon R2/R1?
- Waarom meet ik geen 0V tussen de + en - inputs?
- Waarom vervormd mijn blokgolf op de uitgang?
Laten we eens een sinus proberen, oh dat doet het wel :)
Ok nu gooien we de Gain wat omhoog, shit de sinus lijkt nu ook te vervormen?

Jullie snappen het al ik ben de wondere wereld van de niet zo ideale opamp ingestapt.
Weten jullie een goed boek waarin dit zonder al te veel wiskunde uitgelegd wordt?

Eigenlijk zoek ik een boek die mij aan de hand van een klein projectje de kneepjes leert.
Heel concreet het ontwerp van een opamp schakeling voor het meten van kleine stromen (lekstromen).
Waar let je dan allemaal op? Welke verassingen kom je daarbij tegen? en hoe los je dat weer op?
met onderwerpen als impedantie, drift, ruis, oscillaties, stabiliteit enz. Met natuurlijk veel (scope) plaatjes ;) dat zou mij super interessant lijken.

Als het geen rail-to-rail in en uitgang opamp is, ga je de Gnd en Vcc nooit halen. (dat kan niet door de opbouw van een 'normale' opamp.)
Daardoor vervormen de signalen als je dicht bij de voedingsrail komt. (meestal meer bij Vcc als bij Gnd.)

De LM324 bijv. heeft als minimum enkele tientallen mV boven Gnd en als maximum Vcc - 1v (ongeveer)

Uitleg over opamps: hoofdstuk 16 en 18 van Electronic Principles (malvino & bates): https://www.pdfdrive.com/electronic-principles-e51577263.html

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Laat de schakeling eens zien. Wat bedoel je met 0V? Heb je echt een voeding met een plus en een min en de nul daartussenin? Of heb je een enkelvoudige voeding en beschouw je de min als nul?

- Waarom meet ik niet exact 0V op de uitgang terwijl er 0V op de ingang staat?
- Waarom is mijn Gain toch niet zo exact het was toch gewoon R2/R1?
- Waarom meet ik geen 0V tussen de + en - inputs?
- Waarom vervormd mijn blokgolf op de uitgang?

Erg veel vragen waar je weer een paar vragen voor terug krijgt.

-welk type opamp gebruik je?
-welke schakeling gebruik je? Schema?
-wat voor voeding gebruik je? Schema?

Zonder deze gegevens zul je geen bruikbaar antwoord krijgen.

blackdog

Honourable Member

Hi Electroboy, :-)

Het is niet zo makkelijk alles kort te beschrijven waar je op moet letten om een basis schakeling met een opamp goed te laten werken.
Ik had al wat input hier op het forum gegeven hoe je de versterking uitrekent van een opamp en daarbij aangegeven dat er een verschil is tussen de fase van het ingang signaal en de uitgang.

De door mij getekende schakeling is zo versimpelt dat er geen verdere afleidende onderdelen in staan.
Zou je die schakeling zo gaan bouwen dan is de kans groot dat de opamp zelf signalen op gaat wekken wat met genereren noemt.

Dus als je gaat experimenteren kan je dit hieronder een beetje als lijdraad aanhouden, het is niet compleet!

1e
Altijd een ontkoppelcondensator over de voeding punten van de opamp zetten, denk aan ongeveer 1uF om me te starten.

2e
Direct aan de uitgang van de opamp een weerstand tussen de 22 tot 150Ω plaatsen, die dient ter voorkoming van generatie verschijnselen door capacitieve belastingen.
Gebruik weerstand waarden die zinnig zijn voor het instellen van de versterking, de terugkoppelweerstand die van de uitgang naar de -ingang gaat niet te hoog nemen,
boven de zeg 22K moet er vaak een kleine condensator over deze "feedback" weerstand geplaats worden.
Dat heeft te maken met de capaciteiten van je testschakeling en de capaciteiten die iedere opamp
aan zijn ingangen heeft, die je moet compenseren om hem niet te laten genreren en een vlakke frequentie karakteristiek te krijgen.

3e
Op een hele schaarse uitzondering na, heeft iedere opamp maar twee voeding aansluitingen, dus opamp’s gemaakt voor een "enkele voeding" is eigenlijk onzin.
Daar wordt vaak mee bedoeld dat de ingangen van de opamp en soms ook de uitgang bijna het niveau van de negatieve voeding aansluiting kunnen bereiken.
De uitgang kan nooit onder de negatieve voeding komen in een "normale" schakeling.
De ingangen bij b.v. een LM324 opamp kunnen zelfs tot een paar honderd mV onder de negatieve voedingspanning nog linmeair hun werk doen.

4e
Nog een hele belangrijke eigenschap, de minimale versterking waarbij de opamp goed werkt, veel opamp’s zijn stabiel bij 1x versterking in de inverterende of de niet inverterende schakeling.
Maar er zijn ook opamp’s die minimaal b.v. 3x, 5x, 10 en zelfs 50x maal moeten versterken om stabiel te zijn, dat is met opzet zo! niet om het de ontwerper het zo moeilijk mogelijk te maken. :-)

Een bekend IC dat minimaal 3x moet versterken is de NE5534 en de rede hiervoor is om op hogere frequenties een lagere vervorming te halen en een breder frequentie gebied.
Dit IC toch in een schakeling met 1x versterking gebruiken, is vragen om moeilijkheden door het generatie gedrag dat dan op gaat treden. (dan is er geen fase marge meer)

5e
Ik had het al een beetje aangegeven, de ingangen van een opamp alsook de uitgang kunnen maar binnen een bepaald bereik tussen de voedingspanning van de opamp werken.
Laten we weer de LM324 nemen, daarvan had ik al gezegd dat de ingangen tot een paar honderd mV onder de negatieve voeding aansluiting kan werken.
Maar je moet met de ingang wel minimaal 1,5V beneden de positieve voeding blijven.
Dit heet het "Ingang commonmode bereik" van de opamp, kom je daar buiten dan kan de opamp heel raar gedraag gaan vertonen, zoals het omdraaien van het uitgang’s signaal!

6e
Ook van de uitang hebben we datzelfde soort gedrag, de LM324 die we weer even als voorbeeld nemen, kan bijna tegen de negatieve voeding aan komen,
dit binnen een tiental mV als de belasting van de uitgang maar heel weinig stroom vraagt.

7e
Lees de datasheet van de opamp die je gaat gebruiken goed door, zodat je binne de eigenschappen van je gebruikte opamp blijft.

8e
De meeste opamp's kunnen 10mA meestal lineair leveren, dus met lager vervorming, dit altijd afhankelijk van de gebruikte versterking en de frequentie.
Moderne opamps kunnen tot 400mA aan de uitgang leveren, dit zijn meestal breedband opamp's die maar een lage voedingspanning kunnen verdragen denk dan aan 6V tot 15V.

9e
Bouw je testschakeling op een stukje koperprint op een redelijk nette manier, of op een BreadBoard, maar ook nu weer bouw netjes,
het is geen Arduino omgeving met een spinnenweb, dat ik vaak zie van anderen.
Bouw je schakeling mooi lineair op zoals het in een goed schema ook gebeurd, als leidraad kan je naar schema's lijken in mijn topics waar ik probeer dit zo netjes mogelijk te doen.

10e
Er zijn hier veel forumgebruikers die graag helpen en hou er rekening mee dat in analoge elektronica er altijd meerdere manieren zijn om tot een goed resultaat te komen.
Voor een goed resultaat zal de vraagsteller zijn vragen zo goed mogelijk moeten stellen en vooral laten zien met goede foto's wat men al gebouwd heeft.
En ja, daar ga je commentaar op krijgen, maar dat hoort bij het leerproces. :-)

Ik hoop dat dit een beetje helpt bij de eerste stappen voor het doorgronden van opamp schakelingen, je hebt nog een lange interessante weg voor je...

Groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn

Bedankt allemaal voor jullie input!

De links die jullie mij gaven kende ik nog niet dus bedankt voor het leesvoer ;).

Wat mijn schakeling betreft ik ben gewoon simpel begonnen:

Type Opamp : LM741
Voedingspanning: symmetrisch +/- 15V.
Schakeling: standaard inverterende opamp (3 componenten).

Als je dit zo opbouwt werkt het voor geen meter.

1.Ik mis ontkoppel c's ik heb geleerd dat die echt onmisbaar zijn voor opamps.
2.De positieve terminal, moet daar geen weerstand tussen naar ground ~(R2|R1)? ivm de bias stromen.
3. Veel beginners hebben een cheapass geschakelde (computer)voeding als voeding. Dat helpt ook niet mee als je echt goed wilt meten.

Om een basis schakeling goed te laten werken kom je bij het lijstje van Bram ! Gewoon simpele handvaten om een schakeling te laten werken. Dit lijstje is precies wat ik zoek en ben ik nog in geen enkele boek tegengekomen. Graag meer van dit !

Ik kom nog even terug op de meting waar ik 0V op de uitgang verwacht.

Ten eerste zit er een hoop ruis op 15mVpk met af en toe een puls van een paar kHz. Waar komt dit vandaan ? Niet van de voeding want die ik gebruik is linear.

Waar lag het dan wel aan? nou alles behalve de schakeling of mijn meet apparatuur grrr het was de manier van meten en een ingeplugde telefoon lader. Ik gebruikte de scope in combinatie met de gnd clip. Deze loop was al genoeg om het veld op te pikken van mijn telefoon lader die in het stekkerblok zat..

Ten tweede zit er een offset op van een paar mV.
is Ios/Vos de oorzaak ja dus?

Ik heb geprobeerd om sommige parameters zoals ios en vos te meten, dat is redelijk gelukt. Echter probeer ik dat op temperatuur.. compleet onzinnige waardes (waardes vliegen alle kanten uit). drift? hoe lang moet ik wachten voor dat de metingen uit zijn gestabiliseerd?

Ik ben gewoon op zoek naar een boek die juist deze dingen erin heeft staan. Van het langzaam uitbereiden van een basis schakeling naar een werkend geheel, tot en met het berekenen van het error budgetten ;) ja i know dat is misschien wat te veel gevraagd.

Als ik wat meer tijd heb zal ik eens wat (scope) plaatjes schieten :)
waar ik mee bezig ben.

In Electronic Principles staan tientallen vragen met ook de antwoorden erbij...

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com
blackdog

Honourable Member

Hi Electroboy, :-)

De Offset en bias stromen kan je niet direct aan de opamp ingangen meten!

De offset meet je b.v. door de opamp b.v. 1000x te laten versterken met relatief lage weerstanden zodat de biasstromen niet dominant worden.
1mV offset geeft dan 1V aan de uitgang, moderne Chopper of Autozero opamp's laat je de schakeling 10.000x versterken omdat de offset heel laag is,
ik heb ze regelmatig beneden 1µV gemeten.

Zoek op dit forum maar eens op "opamp tester"
Verder is dit een goed artikel van James Bryant van Analog Devices, klik op de link. :-)

https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/simple-op-amp-measu…

Groet,
Bram

[Bericht gewijzigd door blackdog op 12 februari 2022 17:41:09 (17%)

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn

Hallo ik wil jullie nog even laten weten dat ik nog steeds bezig ben met de opamp. Ben inmiddels alweer een stukje wijzer geworden dankzij jullie links. Alleen nog geen tijd gehad om plaatjes te schieten maar dat houden jullie nog tegoed.

Blackdog had het volgensmij al eens gezegd, maar de meeste basis schakelingen werken eigenlijk niet. (Ik bedoel dan met name de stabiliteit ik heb al menig welliswaar ongewilde oscillatoren gebouwd :) ).

Ik weet het heb nog een lange weg te gaan , ik ben nu de bias stromen over temperatuur aan het meten maar dat vind ik nog erg lastig.

Voorloper van het 110 opamp schakelingen boek: 50 opamp schakelingen. In PDF. Is wel heel oud. Maar theorie en werking blijft het zelfde. :P

Wat actueler en ook online te volgen is de opamp cursus van CO vriend Jos Verstraten. https://verstraten-elektronica.blogspot.com/2020/11/cursus-op-amp-scha…

[Bericht gewijzigd door harry64 op 13 augustus 2022 00:40:29 (28%)

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!

The Signal
A compendium of blog posts on op amp design topics
by Bruce Trump

2.De positieve terminal, moet daar geen weerstand tussen naar ground ~(R2|R1)? ivm de bias stromen.

Ik mis het schema.

Schakeling: standaard inverterende opamp (3 componenten).

De standaard schakeling zijn voor de eenvoud vereenvoudigd, men gaat er wel van uit dat je de minimaal benodigde condensatoren gebruikt.

Ook gaan die schakelingen uit van ideale opamps, dus bv zonder off-set oid.

opruiming

Golden Member

Hoofdstuk 7 van volgende boek vond ik wel handig, er wordt behoorlijk uitgebreid aandacht besteed aan factoren die de werking van uw schakeling verbeteren (gewenste eigenschappen van passieve componenten rond uw opamp, pcb ontwerptips, EMI/RFI-problemen en hoe ze te vermijden, etc...).
De rest van het boek is ook interessant trouwens.

https://www.analog.com/en/education/education-library/op-amp-applicati…

Op de site van analog staat onder de header education veel interessante lectuur trouwens.
Even zoeken in die rubriek met trefwoord opamp brengt u naar nog meer artikels en boeken.

De "standaard" inverterende versterker zou toch aardig moeten werken, zo uit het boekje hoor. Misschien mis je de ontkoppeling dan nog, maar voor de rest is het goed. Een Volt offset lijkt me daarbij enorm veel.
PS, voor experimenten zou ik inmiddels iets moderners dan die 741 nemen.

"We cannot solve our problems with the same thinking we used when we created them" - Albert Einstein

Op 13 augustus 2022 02:05:59 schreef benleentje:
[...]Ik mis het schema.

[...]De standaard schakeling zijn voor de eenvoud vereenvoudigd, men gaat er wel van uit dat je de minimaal benodigde condensatoren gebruikt.

Ook gaan die schakelingen uit van ideale opamps, dus bv zonder off-set oid.

Hoi benleentje, zie mijn schema.

In het tweede schema gebruik ik R5 aan de positieve ingang om de offset te verminderen die door de bias stromen veroorzaakt wordt.

Is het dan beter om deze weerstand dan altijd toe te voegen?
Zeer zeker niet ! ik probeerde dit zelfde truukje bij een transimpedantie versterker met een hoogohmige terugkoppelweerstand. Heel grappig vond ik dit voorbeeld dan ook terug in de link van Spog2 !

harry64

Ja die 50 opamp schakelingen zijn leuk. herinnert mij aan m'n eerste elektronica boekje ooit dat was iets met 101 schakelingen.

opruiming

Dit vind ik een heel mooi boek met interessante weetjes bedankt !

Als je de input AC koppelt (met een condensator), dan is die weerstand aan de + ingang niet nodig.

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Is het dan beter om deze weerstand dan altijd toe te voegen?

Ik heb op school geleerd dat de weerstanden aan beide ingangen in dezelfde orde grote moeten zitten, maar goed dat is ook al weer 30 jaar gelden. Heeft er dacht ik mee te maken dat er nog steeds een stroom de ingangen ( het is geen ideale opamp) ingaat en als je die stroom ongeveer gelijk houd dan zou het effect op de offset gelijk moeten zijn.
Maar verder houd mijn kennis daar op.

Maar ook zonder die offset zou het gewoon een inverterende versterker moeten zijn. Dus graag meer informatie omtrent deze schakeling en wat je meet, een foto van je testschakeling kan ook helpen.

‘Op Amps for Everyone’ : https://web.mit.edu/6.101/www/reference/op_amps_everyone.pdf

(Is een oudere versie, is vroeger na opgeven mailadres gratis te downloaden geweest bij Texas Instruments)

(Edit: ik heb de eerder gegeven links niet gevolgd)

[Bericht gewijzigd door Lucky Luke op 14 augustus 2022 17:27:05 (12%)

Eluke.nl // Backwards Lightspeed Bus: i*i=-1, so iic=-c.

Eerder genoemde 'Electronic Principles' is ook zeer leerzaam...

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com
blackdog

Honourable Member

Hi Electroboy,

Laten we eens je laatste schema nemen met de door jou gekozen AD8031.

Kijk in de datasheet, als eerste wordt er opgegeven dat het een lage spanning en laag vermogen RR opamp is voor de ingangen en de uitgang.
Mooie comby van eigenschappen!

Maar we zijn er nog niet, één eigenschap heb ik nog niet benoemd en dat is zijn grote bandbreedte.
Als er zaken exceptioneel zijn aan een opamp, dan kan je er vanuit gaan dat er een aantal eigenschappen niet zo goed zijn.

En wat zijn die nu waar je rekening mee moet houden.
Als eerste jouw Spice schema, daar staan weerstandwaarden in die niet passen bij een breedbandige schakeling.
Opamp's die in verhouding snel zijn, verlangen lage weerstand waarden, vaak kan je al een indruk krijgen van de waarden van de weerstanden aan de hand van voorbeelden in de datasheet.
In de datasheet staat vermeld dat het -3dB punt bij een gain van 1x en klein signaal 80MHz is.

En de volgende rede is, als je verder de datasheet in gaat en kijkt bij de bias current, zit je goed.. die is tussen 0,45 en 2µA.
Die 2µA geeft bij een 100K weerstand een 200mV DC fout, en ja, die kan je met R5 in je schema enigszins corrigeren,
maar hou wel rekening met de bias offset current die tussen de 50 en 500nA zit.
Dus 1% weerstanden gebruiken om je bias goed te cancelen is niet echt zinnig. ;)

Behalve de bandbreedte en bias current is er nog een rede om bij een breedband opamp de waarden van de weerstanden in verhouding laag te houden.
En die rede het ruis gedrag, de hogere waarde weerstanden hebben zelf al een hogere ruiswaarde, maar die wordt van tafel geveegd door de ruis die optreed
als je die hoge waarden gebruikt bij deze opamp.

Zoals hierboven aangegeven loopt er veel stroom in of uit de opamp ingangen, dat zijn dus de bias stromen van de ingang transistoren.
Dat zijn er in totaal vier stuks, dit omdat het een RR input opamp is.
In de datasheet bij het kopje Input Stage Operation kan je de ingang transistoren zien, dat zijn Q2 en Q3, voor de positieve commonmode en Q13 2n Q17 voor de negatieve commonmode.
Ook is zichtbaar of eigenlijk niet zichtbaar dat er bias compensatie aanwezig is bij de twee ingangen, vandaar de in verhouding hoge bias stromen.

Als je goed kijkt zie je ook dat in de verschil trapjes emitter weerstanden zijn toegepast bij de ingan transistoren, dat verslechterd de ruis maar geeft wel een betere bandbreedte.
Het zijn allemaal afwegingen die de fabrikant maakt als ze een opamp ontwerpen, wat is het belangrijkste doel, hier dus niet een perfecte DC instelling maar grote bandbreedte, RR voor de input, bij een laag energie verbruik.

OK, terug naar de ruis, als je kijkt naar de ruis bij 1Khz dan is die niet eens zo slecht 15nV/√Hz, voor de echte indruk zal je naar de grafieken moeten kijken die het ruisgedrag aangeven, kijk hiervoor bij plaatje 25.
Het kantelpunt voor de spanningsruis zit rond de 100Hz en dat is nog vrij goed.
Kijk je nu voor de stroomruis, dan zit dat kantelpunt rond de 100KHz en dat is niet echt goed.
Zou je deze opamp ook toepassen als lage frequenties ook van belang zijn dan zal je in verhouding tot een goede opamp veel stroomruis ervaren.

In het kort breedbandige opamp verlangen lage weerstand waarden en dit dus om meerder redenen.
Opamp’s met Fet ingangen heb je wel wat meer ruimte, dit omdat de bias ruis daar veel minder is, maar reken jezelf niet rijk, de parasitaire capaciteiten zijn daar ook aanwezig, en heb je een Fet ingang opamp met lage ruis, dan is de ingang capaciteit bijna altijd hoger dan die van een normale opamp.
En die capaciteit moet je in je terugkoppel circuit weer compenseren.

Bij moderne opamp die niet in extremen doen zoals de door jouw als voorbeeld genomen AD8031 kunnen vaak zonder bias compensatie weerstand.
Bij het doorrekenen van je schakeling kan je kijken of die extra weerstand nuttig is, dat doorrekenen noemen ze "Error Budget"

Het kan zijn dat je de AD8031 als willekeur gekozen hebt, helemaal goed zou ik zeggen, nu heb je een mooi voorbeeld waarom de gekozen weerstand waarden niet optimaal zijn.

Als je goed in LT Spice bent, kan je het ruisgedrag van de schakeling laten berekenen met verschillende waarden van de weerstanden.
Oja, denk nu niet dit: ik neem i.p.v. 200K en 100K, 200Ω en 100Ω, voor kleine signalen gaat dit wel, maar je zal altijd rekening moeten houden
met de stroom die de uitgang van de opamp lineair kan leveren!

Groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn

Als je de input AC koppelt (met een condensator), dan is die weerstand aan de + ingang niet nodig.

Als de input AC gekoppeld is, dan moet die weerstand nog groter zijn, namelijk 100 kOhm

Als de input AC gekoppeld is, dan moet die weerstand nog groter zijn, namelijk 100 kOhm

R5 kan dan gewoon vervallen (doorverbinding)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard-, firm-, en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Die weerstand kan in de praktijk meestal gewoon vervallen, maar als het de bedoeling is de offset zo laag mogelijk te houden, dan is de weerstand nodig, AC gekoppeld of Dc gekoppeld.
Er vloeit een (zeer) lage gelijkstroom naar of van de + en - input van de opamp.
Hierdoor ontstaat er een spanningsverlies, waardoor de DC spanning op de - ingang niet precies 0 volt is. Om dit te compenserene moet de biasstroom voor de + input door een weerstand van dezelfde grootte vloeien als deze van de - input.
En als de bron ac gekoppeld is, dan vloeit de biasstroom van de - input door de weerstand van 100 kOhm. R5 moet dan eveneens 100 kOhm gekozen worden.
Bij een dc gekoppelde bron vloeit deze stroom door de parallelschakeling van 100 kOhm met 200 kOhm, vandaar R5 = 66 kOhm.

[Bericht gewijzigd door X3 op 14 augustus 2022 20:16:51 (11%)

Lucky Luke

Bedankt dat is inderdaad de Opamp bijbel van ti.

Arco

Electronic Principles heb ik aan m'n lijstje toegevoegd.

Blackdog

Allereerst waardeer ik het heel erg dat je deze informatie met ons wil delen.
De AD3081 is uitgekozen om zijn lage spanning en RR eigenschappen,
met de grote bandbreedte is inderdaad geen rekening gehouden.

De weerstandswaarden behalve R5 had ik klakkeloos gekopieerd uit 1 van de voorbeelden uit mijn boeken. Ik vind het mooi om te zien dat je waarschijnlijk met 1 oogopslag kon zien dat deze weerstandwaarden niet optimaal zijn voor deze schakeling, deze feeling moet ik nog krijgen.

Ik ben helaas niet zo heel goed in spice, maar ik zal eens experimenteren met dehoge weerstandswaarden op m'n breadboard :).

Waarschijnlijk had ik ook te maken met een serieuze ruisbijdrage bij het meten van de bias stromen over temperatuur. Daar gebruik ik namelijk een heteluchtbout voor om de opamp op temperatuur te krijgen.

En zo leren we steeds meer over de Opamp.

Arco

Waarom zou R5 bij AC volgens jou helemaal kunnen vervallen?