Phasengang von einem invertierenden OPV?
Hallo! Eine Frage: Wie verhält sich die Phase von nem invertierenden OPV, wenn man ein zB Sinus Signal am Input anhängt und mit verschiedenen Frequenzen den Ausgang misst. Weil bei 0Hz hat sie ja eine Phasenverschiebung von 180°, wird die Phase mit mehr f größer oder kleiner und was ist der Grenzwert dieser Phase? Nähert sich also die Phase einem Wert an? Weil ich vermute, dass mit mehr f die Phasenverschiebung kleiner wird. Ich möchte aber sichergehen. Danke für die Hilfe!
2 Antworten
Jeder OPV hat einen Phasengang seiner Open-Loop-Verstärkung (OLG). Frequenzgang-Kompensierte OPVs haben einen künstlich eingebauten Tiefpass, der schon bei sehr kleinen Frequenzen um die ~ 1Hz wirksam wird und die OLG mit zunehmender Frequenz dämpft. Dies ermöglicht, dass solche OPVs weitgehend universell einsetzbar sind, da bei jeder Gegenkopplung (d.h. Verstärkung) eine ausreichende Phasenreserve vorhanden ist! Was die Gesamtverstärkung betrifft spricht man oft vom "Gain-Bandwith-Product" (GBWP) : Bei einer großen Verstärkung hat man kleinere Bandbreite und umgekehrt. Das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite bleibt dabei etwa konstant.
Ein invertierender Verstärker hat bei tiefen Frequenzen zunächst eine Phase von 180°. Bei einer (vom Grad der Gegenkopplung abhängigen) Grenzfrequenz beginnt die Verstärkung allmählich abzunehmen und die Phasenverschiebung wird kleiner als 180°, bis diese schließlich Null und die Gegenkopplun zu einer Mitkopplung wird.
Das GBWP kann man hier für den AD549 gut sehen (Abb 14 im Datenblatt):
Verstärkung = 100dB
Verstärkung = 60dB
Verstärkung = 40dB
Verstärkung = 20dB
0Hz hat keine Phase.
Die Phasenverschiebung ist ein maß wie schnell oder langsam das Ausgangssignal dem Eingangssignal hinterher- oder voreilt. Das hat nichts direkt mit dem Vorzeichen der Spannung zu tun. Klar, im Sonderfall 180° hat man natürlich eine Invertierung der Spannung. Dann kommt das Phasenminimum wenn am Eingang das Phasenmaximum an liegt.
Bei Symmetrischen, periodischen Signalen erreicht man 180° Phasenverschiebung am leichtesten durch eine Invertierung
Wenn man also eine Invertierung eines Signals hat - egal ob verstärkt wird oder nicht - dann hat man immer eine phasenverschiebung von 180°.
In der Praxis reagiert der OPV ja natürlich nur endlich schnell, kann also keine perfekte Invertierung bei hohen Frequenzen erzeugen. Das sorgt dann für eine Phasenverschiebung die man aber als "oben auf den 180° drauf" ansehen kann.
Die Invertierung erzeugt also immer noch die 180°, aber die Reaktionszeit zwischen EIngang und Ausgang des OPV erzeugt dann zusätzlich eine Phasenverschiebung die zu den 180° hinzu kommt.
Ob das Plus oder Minus anzeigt hängt davon ab welcher Eingang des Oszilloskopes vor und hinter dem OPV angeschlossen ist.
Bei 180° ist Plus und Minus exakt das gleiche. -10° sind dann das selbe wie +350°
360° sind genau eine Periodenlänge weiter geschoben, dann deckt sich das Signal wieder und man hat 0°. Wie bei einem Kreis oder bei einem Winkel. Ob man 0° oder 360° nimmt, das ist das selbe.
Wenn das Scope also Ein- und AUsgang vertauscht berechnet, dann wird die Phasenverschiebung kleiner, da das Scope das Signal aus "vorrauseilend" ansieht statt "nacheilend".
Die Phase wird mit steigender Frequenz immer negativer, da sich die Konstante Verzögerung im Verhältnis zur Periodendauer immer stärker auswirkt.
Statt von +180° durch die Invertierung auszugehen, kannst allerdings auch "andersherum" rechnen, und die Invertierung als -180° betrachten, auf die dann frequenzabhängig eine immer noch negativere Phase oben drauf setzt. Geschmackssache. Um Papier zu sparen, werden Diagramme deswegen dann gerne bei +180 und -180 "gewrapped".
Guter Punkt! Die Verzögerung ist (annähernd) konstant.
Also ist die Verschiebung relativ zur Frequenz anders obwohl die Verzögerung konstant ist.
also meinst du, dass ich nur die negative phasenverschiebung habe und die phase eigentlich größer wurde? Sie hat bei -180° begonnen und ist dann weiter bis sie -90° erreicht hat, hab ich das richtig verstanden?
Die Phase wird nicht größer. Die Verschiebung zwischen Eingang und Ausgang wird größer mit steigender Frequenz.
Wenn Du die Welle um 360° schiebst, dann liegt die eins versetzt wieder auf der Originalkurve. Schiebst Du die -180° oder +180°, dann liegt die positive Halbwelle genau über der negativen und umgekehrt.
Die verzögerung des OPV schiebt die wenn man sich das in ein Diagramm zeichnet nach rechts und zwar um eine bestimmte Zeit, also Distanz auf der X-Achse.
und je feiner die Wellen, desto mehr Teile der Welle passen in diese Verschiebung rein.
Hat die Periode eine Länge von 2ms und Deine Verschiebung, also Verzögerung beträgt 1ms, dann hast Du die Welle den halben Weg verschoben, also um 180°. Und ob man das als Plus oder Minus betrachtet ist das selbe. Verdoppelst Du die Frequenz, also die Welle hat 1ms, dann ist die gleich lang wie die Verschiebung und die Eingangs- und Ausgangswelle liegen wieder perfekt aufeinander als wäre gar keine Verschiebung da. Und dabei ist es egal ob Du die Welle nach links oder nach rechts geschoben hast. Die Lage der Wellen zueinander, also die Phasenlage ist identisch.
Im Labor konnte ich eine Phasenverschiebung von 180° bis circa 500Hz messen ab dann wurde sie jedoch immer kleiner. Bei 50kHz hatte ich nur noch 90° Phasenverschiebung. Ich habe mit dem Oszi bei Measure: Phase eingestellt, daher vermute ich, dass die Werte stimmen. Was genau soll das bedeuten in diesem Fall?