ungelöst OpAmp LMP773x

[beldowsk]

Hallo,

ich hab da Probleme mit einer Schaltung die 2 LMP7731 enthält. Daher habe ich mir ein LTspice-Schema davon aufgebaut.

Zunächst habe ich einem opamp2.asy aus C:\Users\xxx\AppData\Local\LTspice\lib\sym\OpAmps die Werte aus dem OpAmp-Datenblatt mitgegeben (Avol=10T, GBW=22Meg, Vos=600u, En=2.9n, Unk=3, In=1.1p, Rin=151Meg). Das Ergebnis ist zu schön um wahr zu sein.

Dann hab ich bei TI unter „Design tools & simulation“ beim LMP7731 das zip-Archiv mit dem „LMP773x PSpice Model (Rev. D)“ gefunden. Die Datei „LMP773x.LIB“ mit LTspice öffnen, die Zeile „.SUBCKT LMP773x IN+ IN- VCC VEE OUT“ markieren und „Create Symbol“ aufrufen. Die dabei erzeugte Component „LMP773x.asy“ sieht nicht nach OpAmp aus (ein Rechteck). Unter Zuhilfenahme von opamp2.asy ist es mir mit dem Editor gelungen ein ansehnliches Component daraus zu machen.

Mit einem kleinen Beispiel-Schema bin ich auf folgende Erkenntnisse gestoßen:
1. Wenn für VEE/V- nur GND zur Verfügung steht (nicht also -5V), dann kommt am Output auch nur was positives raus
2. Der Input darf dann also nicht unter 0V sinken, ein Sinus muss ein DC-Offset erhalten
3. Wenn die Verstärkung zu groß wird, wird der Output etwas unter VCC abgeschnitten
4. In meinem Beispiel-Schema (Anlage) muss für eine Verstärkung von 1 R2=10*R1 sein.

Ist das so richtig, oder hab ich da was falsch gemacht?

Mein zu untersuchendes Schema enthält nun aber 2 dieser OpAmp’s und kommt damit leider nicht zu einem Ende der Berechnung?! Wenn ich den 2ten OpAmp rauslösche, kann ich den Output des 1ten OpAmp errechnen. Muss ich nun mein Schema in 2 Schemata aufteile und den Output des 1ten als PWL Datei in das 2te einlesen?

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hier noch das Schema mit den beiden OpAmp's.

 

[spicer]

"Create Symbol" erstellt immer ein Rechteck, weil LTspice ja nicht weiss, dass es sich um einen OpAmp handelt.
Wenn für VEE/V- nur GND zur Verfügung steht, kann nur eine positive Spannung raus kommen.
Der OpAmp kann ja nicht eine negativere Spannung liefern als ihm gegeben wird.
Das ist korrekt so. Du müsstest 2 Spannungen liefern. +5V und -5V.
Deinen Schaltplan schaue ich mir gleich noch an.

Kannst noch die LMP773x.LIB posten?

 

[spicer]

Hier mal die Schaltpläne mit integrierter lib und Deinem Symbol ohne spezifischen Pfad.
So wird die Simulation auch schnell fertig

 

[beldowsk]

Hallo,

warum ist bei mir die Simulation bei 00.2% hängen geblieben?

Ob die LMP773x.LIB unter …\LTspice\lib\sym\AutoGenerated\ liegt, oder per .inc aus dem Arbeitsverzeichnis aufgerufen wird, kann doch nicht den Unterschied machen?

Und gleich noch ein Problem:

Ich hab da noch eine Variante des Adapters in der einige Bauteile auf die virtuelle Masse und nicht auf GND gezogen werden. Die Simulation ist schnell bei 100%. Es folgt dann aber eine „Pseudo-Transient Analysis“ die scheinbar nicht enden will und sich mit ESC abbrechen läßt. Wenn ich das tue steigt selbst die Spannung am +-Pol von V2 beständig an. Was ist da los?

Gruß Andreas

 

[spicer]

Weniger der direkte Link ins AutoGenerated Verzeichnis als das unübliche Includen der Lib.
Weiss nicht, was, wo er da gesucht bzw verwendet hat.

Welche „Pseudo-Transient Analysis“? Bei mir läuft die simulation schnell durch und ist dann fertig.
Was ich nicht ganz verstehe, wie Deine virtuelle Masse funktioniert. Die ist bei +5.4V. VEE ist +5.8V.

 

[beldowsk]

Hallo,

nun hat mein Rechner (i5-8400, 48GB RAM) schon 4 Stunden "Pseudo-Transient Analysis“ berechnet und ist knapp vor 200ms, wo doch .tran nur bis 200us laufen soll?

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo,

ich muss bei mir weiterhin die "Pseudo-Transient Analysis“ mit ESC abbrechen um mir Ströme und Spannungen der Simulation anzeigen zu lassen. Anliegend was sich bei Spannungsquelle V2 tut. Das sieht für mich doch so aus, als hätte ich irgendwo einen Beinahe-Kurzschluss.

Gruß Andreas

 

[spicer]

Bei mir läuft die Simulation ca 5s und sieht dann so aus:

 

[beldowsk]

Hallo,

nun hab ich LTspice (es war up to date!) deinstalliert, den Rechner neu gestartet, die LTspice-Verzeichnisse gelöscht und LTspice neu installiert.
Weiterhin geht die Simulation in die "Pseudo-Transient Analysis“ über, die kein Ende findet, wenn ich sie nicht mit ESC abbreche.
Was läuft da falsch?

Gruß Andreas

 

[spicer]

Keine Ahnung. Bei mir läuft es richtig. Habe die Version aus Post #5 laufen.

 

[spicer]

Schau mal!

 

[beldowsk]

Hallo,

die "Pseudo-Transient Analysis“ unterbleibt bei mir, wenn ich unter Tools - Settings - SPICE - Engine den Solver von Normal auf Alternate umstelle. Dann sind auch Strom und Spannung an V2 OK.

Allerdings gibt es dann andere Probleme. U1 liefert an "out1" eine kontinuierliche Spannung von 5.420376V, weil - scheinbar - "in1" zu hoch liegt (4.93182V und darüber).

R2 ist eigentlich ein Poti mit max. 50kOhm, der zur Anpassung des Inputs dienen soll. Es gelingt mir damit aber nicht "in1" weiter nach unten zu ziehen.

Verwunderlich auch, das in dem Schema "PMT_Adapter neu ..." der Impuls "in1" nur zwischen 1,07V und 1.17V liegt?!

Das alles liegt wahrscheinlich daran, das die "virtuelle Masse" beim "PMT_Adapter alt ..." mit 5.4V viel zu hoch liegt ("in1" liegt dann ja unter VEE bzw. V- von U1). Im "PMT_Adapter neu ..." liegt die "virtuelle Masse" bei 1.6V.

Ich werde also den "PMT_Adapter alt ..." nicht mehr weiter untersuchen!
Von akademischem Interesse wäre bei dem höchstens die Frage: Warum liegt die "virtuelle Masse" so hoch?

Gruß Andreas

 

[spicer]

Ey, keinen Plan.
Aber mach doch mal eine Simulation mit + und - Spannungsquellen direkt aus LTspice. So kannst erst mal das virtual-ground-problem ausschliessen (oder eben nicht).

So:

 

[Udo]

Hi Andreas,
Dein OP ist als nichtinvertierender Verstärker beschaltet, d.h. am Ausgang entsteht eine Spannung die phasengleich zum Eingang ist.
Zur Ausgangsspannung Ua bzw. zur Verstärkung V=Ua/Ue. Merke: Ua stellt sich immer so ein, dass die Spannung am nichtinvertierenden Eingang (NI = Ue+) = der Spannung am invertierenden Eingang (Inv = Ue-) wird. Wenn beispielsweise Ue+ = 1V ist, dann wird auch Ue- = 1V sein. Wenn der Widerstand von Ue- nach Ua = R8=215 Ohm, der Widerstand von Ue- nach Gnd=R9=215 Ohm ist, dann wird Ua = Ue * (R8+R9)/R9 = 1 * 430/215 = 2V. Die Verstärkung V = Ua/Ue = 2V/1V = 2, wobei Ue = Ue- = Ue+.

Zu deiner Schaltung PMT_Adapter neu mit LMP773x.asc, OP U1: Hier muss man jetzt berücksichtigen, dass die Eingangsspannung Ue+ nicht auf GND, sondern auf die halbierte Spannung von V2 (geteilt durch R14,R15 mit jeweils 1K). Die halbierte Spannung müsste V2/2=3V sein, wäre da nicht ein hoher Innenwiderstand von 36 Ohm! V2 ist gemessen nur noch 5,67V (lastabhängig). Die Spannung Ue+ (V(N011)-V(N012) = beträgt nach ca. 20us = - 442,53mV. Die Spannung Out1-V(N012) = - 885mV gemessen. Das stimmt auch mit der Rechnung überein. - 442,53mV * 2 = - 885,06mV. Bingo.
Auf dieselbe Weise kannst Du auch mit U2 verfahren.
Zu deiner Schaltung PMT_Adapter alt mit LMP773x.asc, OP U1: V(in1)-V(N010) = -479,33mV nach 7,3usec. Das ist die Eingangsspannung. Am Ausgang Out1-V(N010) = 8,8mV. Hier stimmt die Rechnung nicht, weil Du den OP_GND für U1 und U2 falsch angebunden hast. Muss nach GND gehen, so wie bei der Schaltung neu. Dann stimmt die Messung mit der Rechnung überein.

Mit der Simulationszeit stehst Du ja mit spicer in Kontakt. Ist die Simulationszeit jetzt sportlicher ?

Gruß Udo

 

[beldowsk]

Hallo Udo,

das der „PMT_Adapter alt“ mit VEE bzw. V- an die virtuelle Masse so nicht funktioniert, ist inzwischen klar. Diese Schaltung werde ich nicht weiter untersuchen.

Mit dem „PMT_Adapter neu“ habe ich inzwischen schon etliches versucht. Erfahrung generell: Kleine Änderungen können das Gesamtsystem schnell kompromittieren!

Mit der OpAmp-Theorie hab ich mich – notgedrungen – auseinandergesetzt. Danach müsste doch eigentlich der R9 nicht an die „virtuelle Masse“ sondern an GND?

Vom Ausgang U1 bis Ausgang U2 ist diese 2te Stufe ja ein Sallen-Key-Filter mit einer Eckfrequenz von 7,218kHz. Auch hier müsste C4 an GND und nicht an die „virtuelle Masse“?! Die Verstärkung von U2 liegt bei 1, aber es sollte möglich sein, sie durch 2 Widerstande zu erhöhen. Erste Versuche damit haben mit zu oben genannter Erfahrung geführt.

Generell ist für mich die Frage ob an dieser Stelle überhaupt die Funktionalität „Tiefpass 2ter Ordnung“ benötigt wird. Die Soundkarte würde Frequenzen über 20kHz sowieso nicht registrieren. Und warum gerade diese Eckfrequenz?
Andererseits ist sehr schön zu sehen, wie über den Output von U1 V(out1), den Widerstand R11 V(n004) und dien Input für U2 V(in2) der Impuls immer weiter in die Länge gezogen wird; diese Funktionalität wollen wir ja haben.

Gruß Andreas

 

[Udo]

Hallo Andreas,

meine Berechnungen der OP-Schaltungen für U1 habe ich mich strikt an Deine Vorgabe gehalten, nämlich > Die Schalter PMT..... darf nicht verändert werden. Du willst eine Spannung am Ausgang haben, die Deinem wave-file entspricht und dabei lediglich den Eingangsimpuls modifizieren. Ist das richtig, oder bist Du davon abgekommen ? Wie schon erwähnt, halte ich das ohnehin für sehr schwierig, mit Manipulation des Eingangsimpulses allein ans Ziel zu gelangen.
Hinzu kommt, dass Dein wave-file eine DC-Komponente aufweisen muss, ich glaube es waren ca. 150mV nach Abklingen der Kurve.
Bei der OP-Schaltung U1 ist wichtig was an dessen Ausgang ankommen soll. Dies allein entscheidet die Komponentendimensionierung rund um U1. Ob R9 an die virtuelle Masse oder GND angeschlossen wird, stört den Verstärker zunächst nicht. Er wird immer seine Ausgangsspannung so einstellen, dass die Spannungen am NI-Eingang und INV-Eingang gleich sind. Natürlich muss man dafür Sorge tragen, dass die Beschaltung nicht so gewählt wird, dass der Verstärkerausgang an die Versorgungsspannungsgrenzen stösst (latched).

Was das Sallen-key Filter anbelangt, so kann ich schon deshalb dazu nicht Stellung nehmen, weil Du ja die PMT-Schaltung ursprünglich nicht ändern wolltest.
Für das Verständnis und zur Dimensionierung des Filters hänge ich ein pdf-File an, das für meine Begriffe sehr von Nutzen ist.

Gruß
Udo

 

[beldowsk]

Hallo Udo,

in den Beiträgen "Vom Output zum Input" ging es um einen funktionierenden Adapter (mit 2x BC237B) und einen digitalisierten Output von ihm. Daraus wollte ich einen möglichst realistischen Input gewinnen.

Hier geht es um einen 2ten Adapter (mit 2x LMP7731) der besser sein soll als der 1te, aber leider nicht funktioniert. Um hinter das Geheimnis seines nicht funktionierens zu kommen, wollte ich einen realistischen Input haben.

Die Suche nach dem realistischen Input habe ich aufgegeben.

Den 2ten Adapter habe ich schon so oft umgelötet, das ich ihn nun neu aufbauen will. Dazu will ich aber den Schaltplan so verändern, das ich dem Input einen gut justierbaren DC Offset verpassen (Spannungsteiler mit einem Präzisionspoti) und die Verstärkung beider OpAmps verändern (Präzisionspotis) kann. Da bin ich jetzt gerade dabei. Einige niederohmige Widerstände (R8, R9, R11, R12, zwei zusätzliche R zur Verstärkungsregelung an U2) sollen hochohmiger werden, möglicherweise müssen dann C4 und C5 kleiner werden, unklar ist noch auf welche Werte.

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo,

nun hab ich meinen Adapter zusammengelötet. Bei den bestellten Bauteilen fehlte der 2te 20kOhm-Trimmer, er wird möglicherweise in einer Woche nachgeliefert.

Ich hab nicht gleich den Detektor angeschlossen, sondern mit meiner Soundkarte einen Test-Ton von 1kHz und 0dB ausgegeben. Mit einem Pegel von 44 (von 100) bleibt Veff kurz unter 700mV. Mit einer Kupplung statt dem PMT-Adapter hab ich dann den Gain auch auf ein Veff kurz unter 700V einjustiert.

Mit der Kupplung bekomme ich dann (ohne Test-Ton) ein Rauschen von Vpp 210 bis 260 μV bzw. Veff 25 bis 28 μV.

Mit dem ausgeschalteten PMT-Adapter bekomme ich am Ausgang des 1ten OpAmp (Verstärkung 1) Vpp 105 bis 115 μV bzw. Veff um die 14 μV.

Mit eingeschaltetem PMT-Adapter gibt es dann aber – ohne Test-Ton – einen Ton von 11kHz mit Vpp 77 mV bzw. Veff 26,8 mV.

Mit eingeschaltetem Test-Ton sieht man schön die Überlagerung beider Töne.

Ich hab mir daraufhin ein LTspice-Schema ohne den 2ten Trimmer erzeugt und ein Frequenzspektrum erstellt. Leider gibt es damit keinen Peek bei 11 kHz.

Kann mir LTspice einen Hinweis auf die Quelle der Störung liefern?

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo,

mit den Suchkriterien "Operationsverstärker" "Verstärkung" "Schwingung" findet sich auf den Seiten der Uni Ulm:

Eine OPV–Schaltung wird instabil, wenn


Bei fg′ sind beide Bedingungen erfüllt, man erhält eine Schwingung mit konstanter Amplitude. Ist bei erfüllter Phasenbedingung |g|> 1, so schwingt der Verstärker in die Übersteuerung. Nur wenn |g|< 1 bleibt, beobachtet man eine gedämpfte Schwingung. In der Praxis hat man für den Schaltungsentwurf die entsprechende Berechnung auszuführen.

Zur Stabilitätscharakterisierung führt man die sog. Phasenreserve α (auch Phasenspielraum, phase margin) ein. Dabei gibt man — bei erfüllter Amplitudenbedingung — den Abstand zur Phasenverschiebung −1800 an:


Die Phasenverschiebung darf noch um den Winkel α zunehmen, bis eine ungedämpfte Schwingung einsetzt. Bei der ‘kritischen Frequenz’ fk ist jeweils die Amplitudenbedingung erfüllt. Im Bild unten sind Einschwingvorgänge für verschiedene Phasenreserven nebst den zugehörigen Frequenzgängen wiedergegeben. Kleine α sind jeweils durch starke Überschwinger gekennzeichnet, bei α = 60° − 65° hat man für die Praxis die günstigsten Werte, für α = 90° liegt der aperiodische Grenzfall (mit seiner verlängerten Anstiegszeit) vor.

Leider verstehe ich davon noch nicht genug. Ist es möglich diese Parameter aus einer Simulation zu gewinnen?

Gruß Andreas