LM318 op-amp circuit vervormt bij >200 kHz

Hallo allemaal,

Ik ben nog steeds bezig met mijn SSTC projectje, en zoals de mensen die al andere topics van mij gezien hebben weten doe ik dit zonder gate-drive transformator, dus komt er wat andere elektronica bij kijken. Voor de aansturing van mijn mosfets wilde ik het volgende circuit gaan gebruiken:

http://img137.imageshack.us/img137/5849/17016843bp9.th.png

Dit heb ik nu getest op een breadboardje, en het lijkt prima te werken, alleen na ongeveer 200 kHz vervormt mijn signaal heel erg:

http://img137.imageshack.us/img137/1387/10647105px2.th.png

Het signaal word uiteindelijk hoe hoger de frequentie steeds vervormder, nog verder dan ik heb getekend, er blijft uiteindelijk niks van de blokgolf over, en het word een soort ruis op de frequentie van de ingangsblokgolf. Met 'ruis' bedoel ik dan een golfvorm die ik niet kan beschrijven. Uiteindelijk blijft er niks van over, en krijg ik een dc spanning van rond de 3 volt. Op lage frequenties werkte het echter prima, maar als ik naar de componenten kijk die ik gebruikt heb zou het gewoon tot meer dan 500 kHz moeten werken. Ziet iemand hier iets wat ik over het hoofd zie? Kan het zijn dat omdat ik het op breadboard heb geprikt? Dat een breadboard gaat storen op deze freqeunties, of heb ik gewoon in het ontwerp zelf een fout zitten?

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!

Mijn eerste vermoeden gaat al uit naar de optokoppeling. Er staan geen verdere gegevens bij, maar in de regel gaan die dingen (als het gewone optecouplers zijn toch) niet zeer hoog in frequentie, daar heb je andere types voor nodig dan. Maar dat kan je meten met de scoop.

Verder zit ik ook te denken dat die twee stuurtraptransistoren geen erg grote versterking hebben, iets in orde van 50X, je moet wel weten dat je opamp de stroom die de gate nodig heeft om snel in aktie te schieten gedeeld door 50 wel moet kunnen leveren.

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten
Sine

Moderator

Eigenlijk is dit meer een taak voor een comparator dan een opamp, ik ken de slew rate van die 318 niet, maar die kon wel eens te kort schieten.

Die weerstand van 100R tussen opamp en NPN/PNP-koppel lijkt me ook een nutteloos ding.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

De weerstand is idd nutteloos Pros, goed gezien. Rechtstreeks emittervolgen. Verder: slewrate even opgezocht: 50V/µs. Stel dat de uitgang van -15V naar +15V wipt, das een verschil van 30V, dat duurt dan 0.6µs. Vanuit die risetime kunnen we de bandbreedte benaderen.

BB=0.35/risetime, dus 0.35/0.0000006s=583kHz, om een idee te hebben. Realiseer u wel, een blok bestaat uit een grondgolf en oneven harmonischen. Als je draait op 200kHz, zal de derde harmonische op 600kHz al een beetje onder de -3dB vallen, hogere harmonischen nog meer, waardoor het signaal meer en meer filtert naar een sinus.

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

@bigbang: De optocouplers zijn wel van een speciaal type, deze zijn eigenlijk voor TTL logica bedoeld, en kunnen signalen tot 30 MHz doorgeven, en deze doen het ook prima. De weerstand heb ik er tussen getekend, maar deze heb ik niet gebruikt in mijn tests, en inderdaad, waarom is een goede vraag want nuttig is is niet. Dat verhaal over de blokgolf snap ik dan weer niet, een blokgolf is toch niks anders als een spanning die om het moment danwel hoog, danwel laag is, met als enige vertraging tussen de overgang de slew rate van de bron dan? Hoe zit dat precies, heb je daar iets van een link voor met uitleg?

Het is wel een high-speed op-amp die lm318, maar inderdaad, slew rate is een nieuw begrip voor me, ik had puur naar de 'small signal bandwith' gekeken. Een comparator zal dan inderdaad beter zijn, maar dan wel een snelle. Kent er iemand zo'n ding?

[Bericht gewijzigd door Pimmetje op 6 juli 2008 20:44:03 (18%)]

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!

De flauwe oplossing is om je uitgang niet van +/- 15V te laten gaan, maar tot +/- 3V. Dan kan die opamp 't qua slewrate nog prima aan.

Sine

Moderator

eerst die bij me opkomt is de klassieke lm311, zou je alleen even moeten kijken of die snel genoeg is

@Alex, die emittervolgertrap versterkt niet in spanning, 3V is te weinig om die MOSFET door te schakelen.

@Lil, die optocouplers: OK.
Indien je er meer wil over weten, zoeken op Fourieranalyseof FourierSynthese. In het kort komt het hier op neer, een blokgolf kan wiskundig opgedeelt worden als een som van een grondgolf en een aantal oneven harmonischen. De grondgolf is een sinus met dezelfde frequentie als de blok, de oneven harmonischen zijn 3x, 5x, 7x, 9x... tot oneindig maal de frequentie van de blok, met een afnemende amplitude.
Een praktijkvoorbeeld is bvb. als je op een scoop een 1Mhz blok netjes wil tonen, moet je niet alleen de grondgolf maar ook de harmonischen door de vertikale versterkers van de scoop krijgen. In de praktijk wordt een minimale factor 10 aangehouden, wat wil zeggen dat een 1Mhz blok op de scoop redelijk netjes kan getoond worden als hij een bandbreedte heeft van 10Mhz of meer. Dan komen de 3e, 5e, 7e en 9e harmonische nog onverzwakt door.

Meet je aan een zuivere 10Mhz blok met een scoop met een bandbreedte van 10Mhz, dan lijkt het beeld al heel erg op een sinus van 10Mhz.

Op wiki zie je rechts boven al een voorbeeldje.

De slewrate (die bij de opamp) opgegeven wordt is de maximale spanningsverandering dat het ding kan verwerken per tijdseenheid; uitgedrukt in V/µs. Sneller kan niet, en heeft dus zijn invloed op de bandbreedte.
De risetime (stijgtijd) is de tijd die verloopt tussen 10% en 90% van de eindwaarde van een spanningssprong.

- - big bang - -

edit: De LM311 (Sine) komt op 200ns, een ook veelgebruikte LM319 komt op 80ns (is wel een dual uitvoering) en een LM360 komt op 16ns.

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

Allemaal nogmaals bedankt voor alle reacties!

Wat alex voorstelde is op zich nog een idee, want om de mosfet te schakelen heb ik in princiepe niet symmetrisch 15V nodig, als ik van 0V naar 10V heen en weer kan gaan zou dat ook prima zijn. Ik heb echter nou eenmaal mijn symmetrische 15V, en alleen als ik deze ook symmetrisch gebruik kan deze zijn volle vermogen leveren. Als ik nou de negatieve voeding van de comparator/op-amp aan GND hou, kan ik dan wel nog steeds -15V gebruiken op mijn eindtrap? En zo ja, heeft dit dan wel het effect dat de gate maar tot 0V zakt maar niet veel verder? Lijkt mij dat dit werkt, want als de gate 0V is stopt de totempole met geleiden, maar is de ontlaadstroom wel naar de negatieve rail gelopen, of zie ik dit verkeerd?

En big bang, heel erg bedankt voor de typenummers van die componenten, ik vind het zelf altijd erg moeilijk om een geschikt component voor verschillende toepassingen te vinden, een comparator is niet zomaar een comparator, de een kan meer dan de ander, en dat zo met elk component eigenlijk wel. Is er een site of boek of iets waarin alles (of in ieder geval veel) op type component, en daarna op wat de verschillende 'modellen' kunnen gesorteerd staat?

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!
Sine

Moderator

Mooi daarvoor waren de elektuur chipselects, dat waren eigenlijk gewoon datasheets van handige / veelgebruikte componenten.

Dus ofwel + en -15V aan de BD's en ook op de comparatoruitgang, ofwel een +15V en 0V aan de BD's en ook op de comparatoruitgang.

Verder moeten we nog dit vermelden, verreweg de meeste comparatoren, zoals een LM339, LM393, LM311 en LM319 hebben een open collector uitgang waar je zelf nog een weerstand moet aanhangen naar de positieve voeding.
De genoemde LM360 is een hele snelle, maar dan ook weer een differentiël type, dus dat is anders.
Comparatoren hebben vaak ook een meekoppeling nodig tegen de oscillaties, maar daar staan veel voorbeelden van in de datasheets/applicationnotes.

Hoe een oplijsting van geschikte componenten vinden? Tja, das deels een beetje door ze veel te gebruiken, je krijgt zo favorieten, en weet op den duur zo'n beetje wie wat kan.
Sine heeft ook een mooie opmerking, Elektuur chipselectboekjes, datasheetcollections op CD.
Wat ook kan helpen: www.datasheetcatalog.com en niet zoeken op een specifiek onderdeelnummer maar bvb. op "high speed comparator", dan geeft die een selectie.
Of in bvb. een Farnellcatalogus gaan neuzen, daar staan de comparatoren gerangschikt op single, dual en quad, snelheden staan erbij alsook voornaamste eigenschappen.
In de Elektuurboeken "Elektronica, Kunst & Kunde" vertaalt van "The art of elektronics", wat ik iedereen aanraad die als eens wat wil ontwerpen, staan veel lijsten met uitgeselecteerde componenten, lijsten voor opamps, comparators, dioden, lowpower opamps, spanningsstabilisatoren etc. etc., das ook het mooie van de boeken. Het is alleen spijtig dat ze een beetje gedateerd raken. Ik zou er ooit eens werk moeten van maken, lijsten op te stellen voor mezelf, met up to date info, dat werkt reuzehandig.

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

Big bang, als ik nou inderdaad de stuurtrap met een andere spanning aanstuur dan de voedingsrail, zou dat toch gewoon moeten werken? Situatie, gate ontladen, 'aan' signaal op de comaparator, 5V op de uitgang, gate laad tot 5V en de totem pole stopt met geleiden. Uitgang terug naar 0V, er loopt een stroom van de gate (die nog 5V is) door de totempole en deze stopt met geleiden als de gate ongeveer 0V is. Of zie ik nu een belangrijk detail over het hoofd?

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!

Ja, klopt, de uitgang van de totempole werkt als een complementaire emittervolger, dus de spanningsniveaus die je noemde kloppen, ik heb mijn text aangepast.

Maar van de andere kant, zie ik het nut niet van de totempole te voeden met een spanning die aan onderzijde zelfs negatief is, als je comparator hem niet zover kan uitsturen. De totempoletransistoren worden eigenlijk geacht te werken als ofwel open, ofwel dicht.

Je moet er wel op bedacht zijn, dat wanneer je de onderste tor in geleiding stuurt, de emitter naar een 0.7V getrokken wordt (doordat de basis naar 0V gaat), terwijl de collector op -15V draait, m.a.w. er blijft redelijk wat spanning over de tor staan, terwijl er redelijk grote gatestromen lopen door de tor, dus vermogen kan wel pieken, dat heb je niet wanneer je met dezelfde niveaus uitstuurt als de voedingsspanningen van de torren liggen.

- - big bang - -

Niets is zo eerlijk verdeeld als verstand: iedereen denkt er genoeg van te bezitten

Beetje late reactie, maar ik moet het wel even kwijt dit, ik heb inderaad eens gekeken naar die snelle comparatoren, maar de gene die echt snel zijn (bijvoorbeeld de lm360) kunnen maximaal 16 volt rail-to-rail hebben, en ik heb dus 30 volt rail-to-rail (-15 en +15). Kan ik niet met een truukje er alsnog voor zorgen dat ik deze dingen kan gebruiken? Bijvoorbeeld de comparator voeden met een 5 volt symmetrische spanning, en aan de uitgang gewoon de totempole welke aan de +/- 15V hangt? Dan gaat mijn gate wel maar van 5 naar -5, maar dit is in princiepe genoeg om mijn mosfets open te sturen zegt de datasheet, V_threshold is maximaal 4V, daarna staat hij toch helemaal open?

De reden dat ik hoe dan ook die negatieve rail ook wil gebruiken is omdat ik anders niet het volledige vermogen van mijn DC-DC converters kan gebruiken. Het zijn 3 watt converters, en als ik alleen de positieve rail gebruik dan heb ik maar de helft van mijn stroom beschikbaar, dus kan ik ook maar half zo'n hoge schakelfrequentie halen.

En het vermogen wat eventueel verloren gaat in de totem pole maakt op zich niet uit, anders word al het vermogen gedissipeerd in mijn mosfet, want het circuit wat ik getest in mijn startpost zorgde er voor dat de mosfet in kwestie erg heet werd, en dat zelfs zonder belasting, puur alleen de gate-drive. Als ik nu de gate gewoon iets 'zachter' aanstuur, dan is het geen probleem dat er vermogen verloren gaat in de totem-pole, ik heb het liever daar iets warmer dan in mijn mosfets welke toch al flink misbruikt gaan worden...

Pff, ik begin zo langzamerhand wel het idee te krijgen dat ik niet een beetje een moeilijke manier gekozen heb, maar een bijna onmogelijke manier om mijn gate-drive te verzorgen! Als het hierna allemaal nog niet lukt ga ik toch maar eens een ferrietkerntje zoeken voor een GDT.....

[Bericht gewijzigd door Pimmetje op 17 juli 2008 19:32:52 (17%)]

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!

Voel je wat voor een oplossing met diskrete onderdelen? Zoiets, dus:
http://pros.gethost.be/Schemas/ComparatorAlternatief.png
Doet het hier prima op 16V tot 300kHz.

Bij een voedingsspanning van 30V zal je de verhouding van de basisweerstanden van de bovenste PNP (de 2k2 en de 4k7 weerstand) wel moeten aanpassen, denk ik.
En voor de BS170 ofwel een ander type nemen --dat een grotere gate-source spanning mag hebben-- ofwel de gate-source spanning beperken. Niet met een zener, want die heeft een grote paracitaire capaciteit.

Buiten de FET's zijn het allemaal gewone BC'tjes.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

Kijk, daar heb ik iets aan, zoiets had ik zelf nooit kunnen ontwerpen... Je zegt dat het tot 300 kHz goed werkt, zou ie de 500 kHz nog redden?? Dat is mijn doel in ieder geval, dat het geheel tot 500 kHz werkt. En kan dit circuit wel piekstromen leveren? De schakeltijden wil ik erg laag houden (<100 nS als het even kan), dus moet de driver wel piekstromen van 2 a 3 ampere kunnen leveren. Als ik gewoon een low-esr buffer condensator bij de totem pole zet, red dit circuit dat dan?

En even heel iets anders, het ingangssignaal is dus TTL niveau, terwijl de totem pole aan +15 en -15 volt hangt, dus het moet wel een ground-referenced driver zijn, lijkt me dat deze dat wel is als ik het zo snel bekijk? En die 10k trimpot, wat doet die precies? Ik denk zelf dat het om de inschakeltijd mee te varieren is, of doet het heel iets anders?

In ieder geval heel erg bedankt hiervoor, dit kan ik zo eens op een breadboardje prikken om het te proberen, helemaal top!

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!

Een beetje meer uitleg is wel nodig, maar ik wou er niet te diep op ingaan omdat ik niet wist of je wel belangstelling had.

Mijn doel was, een opto-isolator te bouwen voor een RS232-lijn, met onderdelen die gemakkelijk verkrijgbaar zijn (of hier gewoon in een schuif liggen). De doorsnee-BCxx haalt een aardige snelheid, zolang je hem maar niet in verzadiging stuurt - dan kan je het wel vergeten. Daarom heeft de bovenste PNP een emitter-weerstand, waarbij een C van 100n het schakelgedrag nog verbetert.
De basis-weerstanden (die een spanningsdeler vormen) en de 3k3-weerstand ernaast dienen hetzelfde doel.
De BF245 fungeert als collectorweerstand voor die PNP. Hij is geschakeld als stroombron, en levert dus een stroom die niet afhangt van de spanning, zoals een weerstand dat doet (30V is wel de maximale drain-source spanning!).
Het NPN-PNP koppel rechts is als emittervolger geschakeld, en zal bijgevolg ook niet in verzadiging gaan.

Omdat ik absoluut tot 115200baud wou gaan, heb ik het op 300kHz getest. Misschien haalt het 500kHz - zeker ben ik niet.

Als je ingangssignaal TTL is, kan je de source v/d BS170 met de negatieve rail verbinden. De trimpot moest bij mijn toepassing (samen met de bijbehorende PNP) een instelbare GND leveren. Dat lijkt me overbodig in jouw geval.

Voor meer uitgangsstroom kan je het NPN/PNP-koppel rechts gewoon vervangen door snelle power-darlingtons, denk ik.

Het is hoedanook geen kant-en-klaar schema, maar iets dat wellicht bruikbaar is als je de tijd/moeite neemt om er mee te experimenteren.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

Hallo Allemaal,

We zijn onderhand een half jaar verder, maar wegens tijdgebrek heb ik niet verder kunnen werken aan dit hele circuit. Nu heb ik wel weer tijd over, dus ga ik er toch maar weer mee verder.

Mijns inziens is de LM318P alsnog wel geschikt voor mijn doel, alleen moet ik het anders doen dan eerder aangegeven hier. In de datasheet van de LM318 van philips staan een aantal circuits, waaronder onderstaande:

http://img444.imageshack.us/img444/1472/tmpkr4.th.png

Met dit circuit zou de slew rate van de LM318 oplopen tot maximaal 150V/uS. Ervanuitgaande dat ik de output wil laten swingen tussen 12 en -12 V heb ik een totale swing van 24 volt, wat volgens de berekening van big bang (BB=0.35/risetime) uitkomt op een bandbreedte van 24/150=0.16 uS, BB=0.35/0.00000016=2187.5 Khz, ruim over 2 MHz. Aangezien het drive circuit uiteindelijk slechts genoeg stroom kan leveren voor ongeveer 800 KHz, zou dit snel genoeg zijn om alsnog de LM318 te gebruiken. Echter om de schakelpulsen snel genoeg te laten verlopen heb ik wel snelle transistors nodig met een hoge hFe. Zou ik dit kunnen omzeilen door 2 totem poles achter elkaar te gebruiken, een soort darlington totempole?

Graag jullie mening op bovenstaande, zou ik dit kunnen proberen, of moet ik toch echt gaan kijken naar een nog snellere op-amp of comparator? Het probleem daarmee is alleen dat de echt 'snelle' op-amps en comparators maar relatief lage spanningen kunnen verwerken, waardoor het circuit alleen maar ingewikkelder en onhandelbaarder zou worden, vooral bij deze hoge frequenties.

Nogmaals (alvast) bedankt!

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!
Sine

Moderator

Ik snap niet waarom je die 318 blijft gebruiken terwijl een comparator van een halve euro doet wat je wilt en dat een stuk sneller.

Waarschijnlijk omdat ik iets over het hoofd zie, of gewoon simpelweg niet snap. Ik heb al zitten spitten in datasheets van comparators, maar ik heb nog geen comparator gevonden welke met fatsoenlijke snelheid en zonder een delay van >200 nS mijn signaal kan 'versterken', want dat is het doel, een logisch signaal naar een gate-drive signaal om te zetten. En de comparators welke ik heb gevonden die dat wel kunnen, kunnen slechts spanningen aan tot bijv. 7 volt, wat simpelweg niet genoeg is.

Een zetje in de goede richting (een modelnummer bijvoorbeeld) zou ik zeer op prijs stellen. Ik post het hier namelijk omdat ik het niet zeker weet, als ik alles wist had ik dit zelf wel kunnen oplossen, en anderen kunnen helpen met soortgelijke problemen.

[Bericht gewijzigd door Pimmetje op 12 januari 2009 17:28:20 (12%)]

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!

Op 12 januari 2009 16:54:09 schreef Lil Pimmetje:
een logisch signaal naar een gate-drive signaal om te zetten.

Ik kan niet helemaal volgen wat je wil, maar als je vanuit een logisch signaal een FET wilt aansturen, is het dan niet logisch een FET driver te nemen? zie bv. http://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchI...;pageId=79

Wouter van Ooijen: VOTI webwinkel, docent HvU (Technische Informatica); C++ on mictrocontrollers blog

Wouter, DANKU, ik had al bij een aantal shops gezocht naar deze dingen, maar nergens kon ik ze vinden, nu blijkt dat 1 mailtje naar dickbest voldoende is om ze te krijgen, dat scheelt nogal in ingewikkeldheid! Ik ga verder met de TC4452, en dan moet het lukken!

Voor iedereen die geinterresseerd is in het resultaat, binnenkort te zien in het show-my-projects en het tesla topic!

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!

Op 13 januari 2009 11:48:24 schreef Lil Pimmetje:
Wouter, DANKU, ik had al bij een aantal shops gezocht naar deze dingen, maar nergens kon ik ze vinden

Je had bij mij kunnen kijken, http://www.voti.nl/winkel/catalog.html?ICs onder "MOSFET drivers" ...

Wouter van Ooijen: VOTI webwinkel, docent HvU (Technische Informatica); C++ on mictrocontrollers blog

Dat dan weer niet, ik heb minimaal een drive-piekstoom nodig van 3 ampere, omdat ik anders mijn mosfets niet snel genoeg aan/uit krijg voor de frequenties welke ik ga gebruiken, maar ik zal zeker je webshop in gedachte houden mocht ik eens iets anders nodig hebben.

Allen nogmaals heel erg bedankt!

Mods, wat mij betreft mag deze weer terug in t 'archief' :P

Never argue with idiots, they drag you down their level and beat you with experience!