Wieso geht beim gegengekoppelten OPV Ud=0?
Leute ich möchte es gerne mit einem Beispiel machen.
Ubetrieb +15V und -15V
Der OPV bekommt auf den +(nicht inv. E.) =5V
und auf - (inv.E.) ist er auf den Ausgang vom OPV angeschlossen.
Wie kann dann Ud gegen 0 gehen ???
- Durchlauf Ud= 5-0=5V ==> Ua=+15V
- Durchlauf Ud=5-15V= -10V ==>Ua=-15V
- Durchlauf Ud=5-(-15V)=20V ==> Ua=+15V
- Durchlauf Ud=5-15=10V ==> Ua=+15V
- Wie soll man hier bitte auf die 0V kommen ???
5 Antworten
Das was du beschreibst ist ein Instabilier OPV und das kann tatsächlich bei so einer Schaltung auftreten sofern der OPV nicht intern kompensiert ist.
Wenn er Intern Kompensiert ist dann springt die Spannung ja nicht von 0 auf 15V sondern wandert in ein paar us kontinuierlich von 0 auf 15V. Wenn die Spannung nach oben wandert wird auch die Differenz kleiner und der OPV pendelt sich dann eben auf 5V ein.
Natürlich veringert diese Kompensation offensichtlich die Bandbreite des OPVs wesewegen High Speed OPVs diese nicht haben. Dort ist dann im Datenblatt angegeben wie man den OPV rückkoppeln muss damit er stabil arbeitet.
Wieder unvollständig: Es geht hier um DC-Gegenkopplungs-Wirkung und alle Stabilitätsfragen haben aber mit Bandbreite und Phasendrehung zu tun (also SIGNAL-Gegenkopplung), was hier beim Arbeitspunkt aber nicht relevant ist.
Der OPV wird auch durch die Gegenkopplung instabil. Und ja der OPV so wie es hier beschrieben ist ist Rückgekoppelt Ausgang auf den ivertierenden Eingang.
Das was ich geschrieben habe ist dass es OPVs gibt die intern Kompensiert sind, das nennt man nun mal einfach so. Gemeint ist damit dass der OPV bei voller Rückkopplung noch eine Phasenreserve hat. Kompension bedeutet hier eben Phasenkompensation.
Hochfrequenz OPVs haben hier auch eine Beschränkung welche Gegenkopplung du denn nun haben darfst damit der Rückgekoppelte OPV nach wie vor stabil ist
Und doch das hat auch im "DC" Fall Relevanz weil es in der Schaltung nun mal transiente Vorgänge und sei es nur das Einschalten gibt welches so eine Schwingung dann eben anregt.
Aber die Frage war doch, warum die Differenzspannung Ud gegen Null geht! Also so klein ist - ich schrieb was von µV-Bereich, dass man sie bei der Berechnung zu Null setzen kann. Nur darum geht es ! Das hat doch mit "Kompensation" und "Phasenreserve" nun überhaupt nichts zu tun. Natürlich gibt es OPVs, die bei Signal-GK schwingen oder in die Sättigung gehen - da hast Du natürlich recht. Aber das ist nicht das Thema und verwirrt den Fragesteller nur.
Übrigens: Wenn der OPV in die Sättigung geht, ist die Differenzspannung am Eingang extrem groß!! Bei der Frage gehts aber um den stabilen Betrieb mit Ud fast Null Volt.
Der TE hat sich das ganze so vorgestellt:
Durchlauf Ud= 5-0=5V ==> Ua=+15V
Durchlauf Ud=5-15V= -10V ==>Ua=-15V
Durchlauf Ud=5-(-15V)=20V ==> Ua=+15V
Durchlauf Ud=5-15=10V ==> Ua=+15V
Dieses Schwingen zwischen den Rails ist genau dann der Fall wenn der OPV aufgrund seiner Rückkopplung instabil ist. Genau das habe ich in meiner Antwort geschrieben:
Das was du beschreibst ist ein Instabilier OPV und das kann tatsächlich bei so einer Schaltung auftreten sofern der OPV nicht intern kompensiert ist.
Die interne Kompensation verhindert dies indem sie einfach die Slew Rate des Ausgangs nach unten begrenzt und der OPV dadurch eben bei einer direkten Rückkopplung nicht schnell zwischen den Rails hin und her springt.
Gut man könnte hier natürlich sagen der Begriff instabiler OPV ist hier falsch, weil ja nicht der OPV selbst sondern die Schaltung instabil ist, da stimme ich dir zu.
Das habe ich dann auch so in meiner Antwort geschrieben:
Wenn er Intern Kompensiert ist dann springt die Spannung ja nicht von 0 auf 15V sondern wandert in ein paar us kontinuierlich von 0 auf 15V. Wenn die Spannung nach oben wandert wird auch die Differenz kleiner und der OPV pendelt sich dann eben auf 5V ein.
Logischerweise springt die Spannung nie, aber das sei mal nur hier am Rande erwähnt, ich wollte hier wegen dem Verständnis bei der Vorstellung des TE bleiben, dass die Spannung wirklich springt.
Der TE hat dann nachgefragt wie das genau mit dem Einschwingen funktioniert worauf ich geantwortet habe:
Wenn wir sagen nach 10us haben wir 1V am Ausgang dann haben wir bei der Rückführung 4V das ist größer als 0 somit steigt der Ausgang weiter dann haben wir 2V und eine Differenz von 2V immer noch größer 0 dann haben wir 3V, 4V und wenn wir bei 5V sind haben wir 0V Differenz und der Ausgang ändert sich nicht mehr.
Würden wir auf 6V Ausgang hinauf gegen dann haben wir -1V differenz kleiner als 0 und dann sinkt der Ausgang wieder auf 5V.
Und das beschreibt meiner Ansicht das Einschwingen des OPVs recht gut. Der erste Absatz wäre dann eben der Asymptotische Grenzfall des Einschwingens auf den Ausgangszustand.
Die Hauptfrage war zwar warum man Ud=0 annehmen kann, allerdings habe ich zumindest im Text der Frage heraus gelesen, dass es nicht darum geht warum er tatsächlich fast Ud=0 erreicht sondern eher warum der OPV nicht wild zwischen den Rails hin und her schwingt und daher habe ich auch das Thema mit der Kompensation aufgebracht.
Oh - sehr viele Missverständnisse. Wohl auf beiden Seiten.
1,) Was der Fragesteller mit dem "Schalten" zwischen +15 und -15 schreibt, muss ja nicht stimmen (und es stimmt nicht!) - also liegt man schon mal falsch, wenn man das versucht mit Bandbreite, Phasenreserve, Schwingen etc. zu erklären. (Du sprachst vom "instabilen OPV"). Ich wiederhole noch mal - dieses ganze Kleinsignalverhalten hat nichts mit der Antwort auf die Frage warum Ud=0 zu tun.
2.) Dem Text oben (Du schreibst: ...."worauf ich geantwortet habe: Wenn Wir sagen.....") kann ich nun durchaus zustimmen, er sagt mit anderen Worten ja auch das, was ich in meiner Erklärung versucht habe zu beschreiben. ABER: In welcher Antwort von Dir finde ich denn diesen Text ?
Allerdings wird im letzten Satz nun doch wieder das Stichwort "Kompensation" erwähnt (Kleinsignalverhalten im eingeschwungenen Zustand mit festem Arbeitspunkt).. Das passt doch nicht zu den Ausführungen davor mit dem "Einpendeln" auf 5Volt.
Aber OK - ich glaube, es ist jetzt geklärt, bloß der Fragesteller schweigt sich aus. Ob er jetzt durchblickt?
Was der Fragesteller mit dem "Schalten" zwischen +15 und -15 schreibt, muss ja nicht stimmen (und es stimmt nicht!)
Er macht es nicht unendlich schnell das ist ja klar und das habe ich nicht behauptet, ich habe es in meiner Antwort vergessen zu erwähnen, dass es nicht unendlich schnell ist, aber es ist eben viel schneller als der OPV reagiert und daher schwingt er in dem Fall ja dann auch.
Das was ich meine ist, wenn die OPV Schaltung instabil ist dann zeigt sie genau so ein Verhalten, sie schwingt zwischen den Rails hin und her und das sogar mit Übersteuerter Amplitude. Also da kannst du auch mal eine Rechteckschwingung erhalten. Und bevor du sagt die Rechteckschwingung ist nur ein Modell welches in Wirklichkeit nicht existiert, ja das ist mir bekannt ich spreche von so einer Rechteckscwhingung die dir auch der Funktionsgenerator liefert.
also liegt man schon mal falsch, wenn man das versucht mit Bandbreite, Phasenreserve, Schwingen etc. zu erklären. (Du sprachst vom "instabilen OPV")
Ich bin der Meinung, dass eine OPV Schaltung die selbst schwingt sehr viel damit zu tun hat, aber nun gut.
dieses ganze Kleinsignalverhalten hat nichts mit der Antwort auf die Frage warum Ud=0 zu tun.
Nein aber bitte lies doch was ich geschrieben habe. Ich habe nicht diesen Teil explizit beachtet ich bin auf die Frage eingegangen warum der OPV nicht einfach zwischen seinen Rails herumpendelt sondern auf einen stabilen Wert geht.
In welcher Antwort von Dir finde ich denn diesen Text ?
Ist die Antwort auf das Kommentar des TEs.
Das passt doch nicht zu den Ausführungen davor mit dem "Einpendeln" auf 5Volt.
Doch die Schaltung pendelt sich ein weil sie trotz Rückkopplung stabil ist. Wenn die Schaltung nicht stabil ist wird sie sich eben niemals auf 5V einpendeln.
Sorry die Antwort war vielleicht etwas harsch geschrieben.
Was ich gemeint habe ist, dass ich aus der Frage herauslese, dass es dem Fragesteller nicht darum geht wie sich der OPV um den Arbeitspunkt verhält sondern wie der OPV nach dem Einschalten diesen stabilen Arbeitspunkt erreicht und nicht um den Arbeitspunkt herum schwingt.
Dieses Einschwingen nach dem Einschalten hat meiner Meinung nach sehr viel mit Phasenreserve etc zu tun.
Klar wenns dann nur mehr um den statischen Betrieb am Arbeitspunkt geht braucht man das nicht mehr.
Also ich denke wir haben hier einfach beide in die Frage etwas anderes hinein interpretiert.
Ja, OK - lassen wir`s dabei. Besonders enttäuschend finde ich, dass der TE (Was heißt das eigentlich? In englischen Foren spricht man stattdessen vom "OP") sich nicht mehr zu Wort meldet mit Nachfragen etc.
Ich habe ehrlichgesagt keine Ahnung was es bedeutet. Ich glaube es ist Denglisch und bedeutet "Thread Eröffner" oder so. Habs aber öfter in Deutschen Foren gelesen.
Wie gesagt die einzige Rückmeldung die ich bekommen habe habe ich beantwortet und hab dafür von ihm einen :Daumen hoch" bekommen womit ich meinen würde, dass seine Frage geklärt ist. Ist nur schade, dass er nicht auch auf die anderen Antworten reagiert und entweder ein Danke da lässt oder Rückfragen stellt falls noch etwas unklar ist.
Ja nehmen wir an was sie sagen. Dann die andere Frage die Zeit beim Abfragen wäre immer gleich von mir aus 10us. Was passiert dann ? Ua ist ja dann immer gleich, weil bei 0->15V nach 10 us von mir aus immer 1V sind und Ud=5V-1V=4V und dann gehen wieder 1V auf den inv.E. und dann ist wieder 5V-1V=4V
Welche Zeit beim Abfragen? Der OPV ist ja ein analoger Schaltkreis. Wenn du das ganze abtasten willst und digital betrachten willst muss deine Abtastzeit ja um vieles schneller sein als die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit.
Ua ist ja dann immer gleich
Warum sollte Ua gleich sein?
Wenn wir sagen nach 10us haben wir 1V am Ausgang dann haben wir bei der Rückführung 4V das ist größer als 0 somit steigt der Ausgang weiter dann haben wir 2V und eine Differenz von 2V immer noch größer 0 dann haben wir 3V, 4V und wenn wir bei 5V sind haben wir 0V Differenz und der Ausgang ändert sich nicht mehr.
Würden wir auf 6V Ausgang hinauf gegen dann haben wir -1V differenz kleiner als 0 und dann sinkt der Ausgang wieder auf 5V.
Das ist hier in der Kürze nicht ganz so schnell zu erklären. Grund ist die Wirkung der Gegenkopplung, bei der ja ein teil der Ausgangsspannung auf den Differenz-Eingang rückgeführt wird. Dazu kommt die extrem große Verstärkung von etwa Voo=100.000 (1E5).
1) Ist die Eingangs-Differenzspannung Ud>0 ist der Ausgang auf +15V und ein Anteil davon (je nach Gegenkopplungsfaktor) wird auf den neg. Eingang zurück, womit dieser jetzt kurzzeitig überwiegt und den Ausgang auf -15V bringen möchte.
2.) Auf dem Weg dorthin überstreicht der Ausgang aber den Nullpunkt (war ja vorher auf +15V) und schon bei einer kleineren pos. Spannung (z.B. +1V) passiert das gleiche noch mal (wie oben bei 1), weil ja wegen der hohen Verstärkung Voo ein Wechsel am Eingang von wenigen mV (oft µV) schon ausreicht, um den Wechsel der Polarität zu verursachen.
3) So "pendelt" sich der Ausgang sehr schnell auf immer kleinere Amplituden beim Wechsel ein - bis die Ausgangsspannung Ua einen Wert hat, der genau die Gleichung erfüllt: Ua=Ud*Vo . Dann hat das System den Arbeitspunkt im linearen Bereich der sehr steilen Kennlinie Ua=Ud*Voo erreicht.
Dann ist also Ud=Ua/Voo.
Beispiel: Ua=0,1V und Voo=100000. Damit ist Ud=0,1/1E5=1µV. Also ist Ud nie Null, aber so klein, dass man es ohne großen Fehler zu Null annehmen darf.
Der genaue Wert dieser Ruhespannung im Arbeitspunkt hängt ab von der Unsymmetrie im OPV, die zu einer sog. "Offsetspannung führt" und natürlich von der Stärke des Gegenkopplungsfaktors.
ein idealer Operationsverstärker hat eine unendlich große Verstärkung. Selbst bei einem realen OPV werden kleinste Differenzen zwischen den + und - Eingängen so verstärkt, dass am Ausgang entweder die positive oder die negative Betriebsspannung anliegt.
Dimensioniere die Schaltung so, dass er vielleicht eine Verstärkung von 1 hat.
Also 2 gleiche Widerstände.
o-------|R1|--+(-OPV)-----|R2|--------(Ausgang OPV)
U-Eingang
o---------------+(OPV)
o------GND---------------------------------------------------------
so ein OPV lässt sich hier schlecht "zeichnen" , die Bezeichnung sollte aber genügen.
Das sollte wohl eine Simulation im Zeitbereich (Transient) werden.
Dann muss man zuerst den Arbeitspunkt als Startwert der Simulation berechnen. Dann ist man bei diesem Beispiel schon fertig, weil sich ja sonst nichts ändert.
Nimmt man aber Ue = Ua = Ud = 0 als Startwert, dann darf man die 5 Volt nicht mit unendlicher Anstiegsgeschwindigkeit anlegen, sondern die Anstiegszeit muss größer als 0 sein. Und die Zeitschrittweite für die Simultation muss deutlich kleiner als diese Anstiegszeit sein. Auch sollte der OPV keine unendliche Verstärkung haben, weil sich sonst Ua unendlich schell ändern könnte.
Weil ein OPV nicht in "Durchläufen" arbeitet, sondern wertekontinuierlich. Das ist ein Abstraktionsschritt, den Du dir zurechtgelegt hast, aber nicht das wahre Verhalten beschreibt. Lege diese Sicht ganz schnell ab, sie ist nur hinderlich.
Den Rest haben andere schon gesagt.
zu P.Kremser: Nein, das ist nun ganz falsch. Das hat absolut nichts zu tun mit "Kompensation" und Stabilität. Instabil kann nur ein OPV werden MIT Gegenkopplung! Hier geht es um was ganz anderes - nämlich um die Gegnkopluingswirkung.