Problem mit OP: 30MHz, 20Vpp erzeugen

I

Ilka Harders

Guest
Hallo NG,

ich habe Probleme mit einer OP-Schaltung, die ich in der Ausgangsstufe
eines Mittelwellen Signalgenerators einsetzen will.

Mit der Schaltung soll für ein Sinussignal von 50kHz ... 30MHz ein
Spannungshub von ca. 20Vpp erzeugt werden. Dazu habe ich einen Current
Feedback OP vom Typ AD811 als invertierenden Verstärker (Au = 5)
beschaltet. Die Versorgungsspannug des OP beträgt +/- 11V. Der Ausgang
des OP geht in der eigentlichen Schaltung auf den hochohmigen Eingang
eines Buffers, wurde jedoch zum Testen im Leerlauf betrieben bzw. über
18k nach Masse geschaltet.

Bei 1MHz funktioniert die Schaltung im Prinzip gut. Das Signal ist bei
maximaler Aussteuerung nur geringfügig verzerrt, was ich auf den
geringen Abstand zur Versorgungsspannung zurückführe. Bei weiterer
Erhöhung des Eingangssignalpegels beginnt das Ausgangssignal zu
clippen, es tritt jedoch keine erhöhte Stromaufnahme auf. Kurz gesagt:
der OP verhält sich so, wie ich es erwarte.
Die Probleme beginnen bei höheren Frequenzen (>10MHz). Bei 30MHz ist
es nicht mehr möglich, den gewünschten Spannungshub zu erzeugen. Ab
einer Ausgangsspannung von ca. 17Vpp beginnt der OP Strom zu ziehen und
wird heiß. Bei weiterer Erhöhung der Eingangsspannung nimmt die
Ausgangsspannung nicht mehr linear zu. Die Stromaufnahme nimmt jedoch
überproportional zu und mit dem Oszilloskop ist ein langsames -
offenbar temperaturbedingtes - unsymmetrisches "Schrumpfen" des
Ausgangssignals zu erkennen. Das Ausgangssignal ist nun leicht
verzerrt, jedoch clippt es nicht.
Ähnliche Probleme treten auch auf, wenn ich anstelle des AD811 einen
THS3061 verwende. Auch dieser arbeitet bei 1MHz zufriedenstellend. Bei
30MHz ist das Ausgangssignal bis zu einem Spannungshub von ca. 9,5Vpp
unverzerrt. Bei weiterer Erhöhung der Eingangsspannung bricht die
Ausgangsspannung schlagartig zusammen und die Stromaufnahme steigt noch
extremer an, als die des AD811.

Hier einige Ansätze, die ich bereits untersucht und (u.U.
fälschlicherweise?) verworfen habe:
- OP hat zu geringe Slew Rate: Der AD811 hat eine Slew Rate von ca.
2500V/us, was gerade so reichen sollte. der THS3061 hat eine Slew Rate
von ca. 7000V/us - das sollte aber wirklich genügen.
- OP wird zu dicht an den Grenzen der Versorgungsspannung betrieben: Um
dies zu untersuchen habe ich den THS3061 testweise mit +/- 15V
Versorgungsspannung betrieben. Das Ergebnis war im Prinzip das gleiche,
wie oben beschrieben. Außerdem gab der OP nach Erhöhung des
Ausgangspegels über 9,5Vpp in kleines Rauchzeichen von sich - der ist
dann wohl hin :-(
- OP ist am Ausgang zu stark belastet: Die Probleme treten selbst dann
auf, wenn der Ausgang des OP nicht beschaltet ist.

Ich begreife einfach nicht, was da im OP passiert. Was ist die Ursache
des Problems? Kann mir da jemand auf die Sprünge helfen?
Habe ich überhaupt eine Chance, einen OP zu finden, der das mitmacht?

Paradoxerweise werfe ich etwa die Hälfte der Spannung, die ich mit
oben beschriebener Schaltung erzeuge hinter dem Buffer wieder in den
Spannungsabfalleimer. Der Buffer hat eine sehr niedrige
Ausgangsimpedanz, der Ausgang meines Signalgenerators muß jedoch auf
50 Ohm angepasst sein. Um das zu erreichen, habe ich zwischen den
Bufferausgang und den eigentlichen Ausgang meines Generators noch ca.
39R in Reihe geschaltet. Über dem 50 Ohm Lastwiderstand fällt somit
nur noch die hälfte der Spannung ab, die ich in der OP-Stufe mühsam
erzeugt habe - Leistungsanpassung eben.
Um diese "Verschwendung" zu vermeiden, überlege ich auch, ob eine
Schaltung, die von Hause aus mit 50 Ohm Ausgangsimpedanz daherkommt
eine bessere Lösung wäre. Ich denke da in Richtung Transistor
Push/Pull-Stufe. Gibt's sowas eigentlich auch integriert?
Wie auch immer die Lösung aussieht - irgendwie muß ich 23dBm an 50
Ohm (50kHz ... 30MHz) aus meinem Generator rausbringen.

Bin dankbar für jegliche Erklärungsansätze für mein oben
beschriebenes Problem, wie auch für alternative Lösungsvorschläge.

Gruß

Ilka
 
Hallo Ilka,

Fuer Gain=10 rollt der AD811 bei akzeptabler Verzerrung schon kurz ueber
10MHz unter Deine 20Vpp ab (siehe Figure 23 im Datenblatt). Wenn man ihn
darueber hinausquaelt, verzerrt es wahrscheinlich deshalb.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com
 
Hallo Joerg,

danke für Deine Antwort.

Fuer Gain=10 rollt der AD811 bei akzeptabler Verzerrung schon kurz ueber
10MHz unter Deine 20Vpp ab (siehe Figure 23 im Datenblatt). Wenn man ihn
darueber hinausquaelt, verzerrt es wahrscheinlich deshalb.
die entsprechende Kurve im Datenblatt des AD811 ist mir (mittlerweile)
bekannt. In sofern sehe ich es dem AD811 nach, daß er ab 10MHz nicht
mehr den vollen Spannungshub bringt. Was mich allerdings dennoch
irritiert, ist, dass die Stromaufnahme derart zunimmt und der IC
entsprechend heiß wird. Auch finde ich im Datenblatt des THS3061
keinerlei Hinweise, dass hoher Spannungshub bei hoher Frequenz zu
derartigen Problemen führt. Dieser verhält sich jedoch noch
problematischer als der AD811 bis hin zur Zerstörung des IC - obwohl
ich meines Erachtens keines der Maximum Ratings verletzt habe. Es
scheint sich also um ein generelles Problem zu handeln.
Da ich mir die Ursache des Problems bislang leider nicht erklären
kann, weis ich im Moment auch nicht recht, worauf ich bei den
Eigenschaften eines OPs achten muss, damit er meine Anforderungen
erfüllt.

Gruß

Ilka
 
Ilka Harders schrieb:
die entsprechende Kurve im Datenblatt des AD811 ist mir (mittlerweile)
bekannt. In sofern sehe ich es dem AD811 nach, daß er ab 10MHz nicht
mehr den vollen Spannungshub bringt. Was mich allerdings dennoch
irritiert, ist, dass die Stromaufnahme derart zunimmt und der IC
entsprechend heiß wird. Auch finde ich im Datenblatt des THS3061
keinerlei Hinweise, dass hoher Spannungshub bei hoher Frequenz zu
derartigen Problemen führt. Dieser verhält sich jedoch noch
problematischer als der AD811 bis hin zur Zerstörung des IC - obwohl
ich meines Erachtens keines der Maximum Ratings verletzt habe. Es
scheint sich also um ein generelles Problem zu handeln.
Hallo,

das Umladen aller internen und externen parasitären Kapazitäten des OPs
und der Schaltung drumherum führt schon zu steigender Stromaufnahme bei
zunehmender Frequenz. Ob das allerdings soviel ist das es bis zum
Heißwerden und zur Zerstörung geht? Was steht denn im Datenblatt über
Kapazitäten, was hast Du selbst hinzugefügt?

Bye
 
Hallo Uwe,

das Umladen aller internen und externen parasitären Kapazitäten des OPs
und der Schaltung drumherum führt schon zu steigender Stromaufnahme bei
zunehmender Frequenz. Ob das allerdings soviel ist das es bis zum
Heißwerden und zur Zerstörung geht? Was steht denn im Datenblatt über
Kapazitäten, was hast Du selbst hinzugefügt?
Laut Datenblatt hat der OP eine Eingangskapazität von 7,5pF. Nach
meinen bisherigen beobachtungen siedle ich das Problem jedoch eher am
Ausgang als am Eingang an. Die Beschaltung des OP ist rein resistiv. Es
könnte lediglich sein, dass Kapazitäten im Layout stecken. Abgesehen
davon sollten Lastkapazitäten < 10pF laut Datenblatt kein Problem
darstellen.

Gruß

Ilka
 
Ich vermute mal, es ist die Ausgangsstufe des OPs. Die sind meist als
Gegentakt ausgeführt. Ab eine gewissen Frequenz sperren die Transistoren
nicht mehr schnell genug, es kommt zum Kurzschluß -> erhöhter
Stromverbrauch. Wenn ich mich nicht irre, war das auch ein Grund warum
Audio Leistungsverstärker, wenn sie auf eine hohen Frequenz mit hoher
Amplitude schwingen, absterben.

Gruß
Hans
 
Ich vermute mal, es ist die Ausgangsstufe des OPs. Die sind meist als Gegentakt ausgeführt. Ab eine gewissen Frequenz sperren die
Transistoren nicht mehr schnell genug, es kommt zum Kurzschluß -> erhöhter Stromverbrauch.
Gibts denn OPs bei dehnen die Ausgangsstufe so dimensioniert ist das es zu keinem Kurzschluss kommt?
Gibts Alternativen zum OP um einen hohen Spannungshub mit hoher Frequenz zu erreichen?

Ich hab ein ähnliches Problem wie der OP kann aber am Ausgang eine mit steigender Frequenz fallende Amplitude akzeptieren, ein
Totalausfall kann ich (bzw. der Endkunde) aber nicht akzeptieren.

Grüße
Erik
 
Ilka Harders schrieb:

Mit der Schaltung soll für ein Sinussignal von 50kHz ... 30MHz ein
Spannungshub von ca. 20Vpp erzeugt werden.
man Slew Rate.


Gruß Dieter
 
Hallo Dieter,

Mit der Schaltung soll für ein Sinussignal von 50kHz ... 30MHz ein
Spannungshub von ca. 20Vpp erzeugt werden.

man Slew Rate.
Was genau willst Du damit aussagen?
Wenn sich deine Bemerkung darauf bezieht, dass der OP zu langsam sein
könnte, muss ich dich entäuschen. Wie ich bereits in meinem
ursprünglichen Posting erwähnt habe, hat der AD811 eine Slew Rate von
ca. 2500V/us, was rein rechnerisch so gerade ausreichen sollte. Der
THS3061 hat sogar eine Slew Rate von 7000V/us - das reicht doch locker,
um den nötigen Anstieg bei 30MHz und 20Vpp zu schaffen. Beide OPs
versagen jedoch oberhalb von 10MHz bei großen Ausgangsspannungen.

Oder gibt es da einen Aspekt in Zusammenhang mit der Slew Rate, der das
Verhalten meiner OP-Schaltung - insbesondere die stark ansteigende
Stromaufnahme - erklären könnte?

Gruß

Ilka
 
Ilka Harders schrieb:

Oder gibt es da einen Aspekt in Zusammenhang mit der Slew Rate, der das
Verhalten meiner OP-Schaltung - insbesondere die stark ansteigende
Stromaufnahme - erklären könnte?
Die 2500V/us beziehen sich auf einen unbelasteten Ausgang. Wieviel
kapazitive Last hast du denn?


Gruß Dieter
 
Ilka Harders wrote:
Hallo Dieter,


Mit der Schaltung soll für ein Sinussignal von 50kHz ... 30MHz ein
Spannungshub von ca. 20Vpp erzeugt werden.

man Slew Rate.


Was genau willst Du damit aussagen?
Wenn sich deine Bemerkung darauf bezieht, dass der OP zu langsam sein
könnte, muss ich dich entäuschen. Wie ich bereits in meinem
ursprünglichen Posting erwähnt habe, hat der AD811 eine Slew Rate von
ca. 2500V/us, was rein rechnerisch so gerade ausreichen sollte. Der
THS3061 hat sogar eine Slew Rate von 7000V/us - das reicht doch locker,
um den nötigen Anstieg bei 30MHz und 20Vpp zu schaffen. Beide OPs
versagen jedoch oberhalb von 10MHz bei großen Ausgangsspannungen.

Oder gibt es da einen Aspekt in Zusammenhang mit der Slew Rate, der das
Verhalten meiner OP-Schaltung - insbesondere die stark ansteigende
Stromaufnahme - erklären könnte?
Häng doch eine diskrete Ausgangsstufe Gain=4 dahinter.


--
Mit freundlichen Grüßen
Helmut Schellong var@schellong.biz
www.schellong.de www.schellong.com www.schellong.biz
http://www.schellong.de/c.htm
 
Hallo Dieter,

Die 2500V/us beziehen sich auf einen unbelasteten Ausgang. Wieviel
kapazitive Last hast du denn?
Die externe Beschaltung besteht nur aus ohmschen Widerständen. In der
eigentlichen Schaltung wird der Ausgang des OP zwar mit 8pF
Eingangskapazität vom nachgeschalteten Buffer belastet, aber auch bei
rein ohmscher Belastung - zum Testen habe ich den Ausgang des OP über
18k auf Masse geschaltet bzw. auch mal leer laufen lassen - treten die
Probleme auch auf. Es kann also eigentlich nur noch so sein, dass
entweder im Layout oder intern im OP parasitäre Kapazitäten wirken.
Ich vermute und befürchte letzteres.

Wo genau siehst du den Zusammenhang zwischen Slew Rate und kapazitiver
Last? Wird die Slew Rate durch den maximalen (Kurzschluß-)Strom
begrenzt, den der OP zum Laden einer Lastkapazität (intern oder
extern) liefern kann?

Gruß

Ilka
 
Ilka Harders schrieb:
Die externe Beschaltung besteht nur aus ohmschen Widerständen. In der
eigentlichen Schaltung wird der Ausgang des OP zwar mit 8pF
Eingangskapazität vom nachgeschalteten Buffer belastet, aber auch bei
rein ohmscher Belastung - zum Testen habe ich den Ausgang des OP über
18k auf Masse geschaltet bzw. auch mal leer laufen lassen - treten die
Probleme auch auf. Es kann also eigentlich nur noch so sein, dass
entweder im Layout oder intern im OP parasitäre Kapazitäten wirken.
Ich vermute und befürchte letzteres.
Hallo,

die Kapazitäten durch das Layout können eigentlich nur im Bereich
einiger zehn pF liegen, bei kurzen Leitungen sogar unter 10 pF.

Bye
 
Ilka Harders schrieb:

Die externe Beschaltung besteht nur aus ohmschen Widerständen. In der
eigentlichen Schaltung wird der Ausgang des OP zwar mit 8pF
Eingangskapazität vom nachgeschalteten Buffer belastet,
Dann liegt das Problem nicht da. Wie stehts denn mit der
Versorgungsspannung? Wie abgeblockt?


Wo genau siehst du den Zusammenhang zwischen Slew Rate und kapazitiver
Last? Wird die Slew Rate durch den maximalen (Kurzschluß-)Strom
begrenzt, den der OP zum Laden einer Lastkapazität (intern oder
extern) liefern kann?
Ja.


Gruß Dieter
 
Ilka Harders wrote:

[...]

wahrscheinlich hat das schon jemand anderes hier bemerkt. Ich habe aber
leider keine der schon geposteten Antworten gelesen.
:-(
Ich tippe auf eine Fehlanpassung am OP Ausgang. Bei Fehlanpassung und
hoeheren Frequenzen kann der Wellenwiderstand einer Leitung gegen Null
gehen. Damit faehrst Du diesen OP in den Kurzschluss.

Halte also waehrend Deiner Messungen die Leitungen am Ausgang so kurz
wie moeglich (weniger 3cm sollten reichen). Achte auch auf die
Lastkapaziateten. Schalte Deinen Tastkopf vom Oszi auf 10:1 oder 100:1.

hth,
Ingolf

--
***wer mir mailen moechte, sollte invalid.invalid entfernen
und durch MOC.nuS ersetzen, aber spiegelschriftlich***
 
Uwe Hercksen wrote:
Ilka Harders schrieb:


Die externe Beschaltung besteht nur aus ohmschen Widerständen. In der
eigentlichen Schaltung wird der Ausgang des OP zwar mit 8pF
Eingangskapazität vom nachgeschalteten Buffer belastet, aber auch bei

die Kapazitäten durch das Layout können eigentlich nur im Bereich
einiger zehn pF liegen, bei kurzen Leitungen sogar unter 10 pF.
Ja, es ist ja auch so, daß die Datenblattangaben mittels Testschaltungen
ermittelt werden, die absichtlich recht hohe Kapazitäten am Ausgang hatten,
manchmal bis 0.1uF.
Ich denke, 10nF ist da eigentlich immer vorhanden, mindestens 50pF.

Es war schon immer anspruchsvoll, bei hohen Frequenzen große Amplituden
bei relativ geringen Lastwiderständen zu erzielen, besonders mit
Gegenkopplung und geringen Verzerrungen.

Analog sieht man ja bei Prozessoren, daß die schon auf 1.3V runtergehen.

Ich würde mal eine separate Ausgangsstufe dranhängen und diese in
die Gegenkopplung einbeziehen. Mit FETs.


--
Mit freundlichen Grüßen
Helmut Schellong var@schellong.biz
www.schellong.de www.schellong.com www.schellong.biz
http://www.schellong.de/c.htm
 
Hans Müller schrieb:
Ich vermute mal, es ist die Ausgangsstufe des OPs. Die sind meist als
Gegentakt ausgeführt. Ab eine gewissen Frequenz sperren die Transistoren
nicht mehr schnell genug, es kommt zum Kurzschluß -> erhöhter
Stromverbrauch. Wenn ich mich nicht irre, war das auch ein Grund warum
Audio Leistungsverstärker, wenn sie auf eine hohen Frequenz mit hoher
Amplitude schwingen, absterben.
Das passiert bei komplementären Emitterfolgern wenn die Ladungsträger
nicht schnell genug "ausgeräumt werden.
Abhilfe durch schnellere Transistoren und niederohmige
Basis-Emitterwiderstände.

--
gruß hdw
 
Ilka Harders schrieb:
Hallo NG,

ich habe Probleme mit einer OP-Schaltung, die ich in der Ausgangsstufe
eines Mittelwellen Signalgenerators einsetzen will.

Mit der Schaltung soll für ein Sinussignal von 50kHz ... 30MHz ein
Spannungshub von ca. 20Vpp erzeugt werden. Dazu habe ich einen Current
Feedback OP vom Typ AD811 als invertierenden Verstärker (Au = 5)
beschaltet. Die Versorgungsspannug des OP beträgt +/- 11V. Der Ausgang
des OP geht in der eigentlichen Schaltung auf den hochohmigen Eingang
eines Buffers, wurde jedoch zum Testen im Leerlauf betrieben bzw. über
18k nach Masse geschaltet.
Hast du mal den IC bei der von AD angegebenen niederohmigen
Beschaltung durchgemessen? Die Last liegt bei denen im hohen
Frequenzbereich durchweg bei unter 150_Ohm.
Denkbar wäre es, wenn bei hoher Frequenz und sehr großer Aussteuerung
die Ausgansgstufe? nicht schnell genug "umschaltet". Abhelfen könnte,
je nach interner Schaltung, eine niederohmige Last.
Rein spekulativ natürlich.

--
gruß hdw
 
Hallo Ilka,

Laut Datenblatt hat der OP eine Eingangskapazität von 7,5pF. Nach
meinen bisherigen beobachtungen siedle ich das Problem jedoch eher am
Ausgang als am Eingang an. Die Beschaltung des OP ist rein resistiv. Es
könnte lediglich sein, dass Kapazitäten im Layout stecken. Abgesehen
davon sollten Lastkapazitäten < 10pF laut Datenblatt kein Problem
darstellen.
Die Beschaltung ist, wie Uwe andeutete, meist nicht ganz resistiv. Neben
der Kapazitaet der Leiterbahn ist da auch noch die Eingangskapazitaet
der nachfolgenden Stufe.

Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com
 
Helmut Schellong wrote:

Analog sieht man ja bei Prozessoren, daß die schon auf 1.3V runtergehen.
Das hat mit Operationsverstärkern nun aber wirklich gar nichts zu tun!
 

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