Zweistufiger NF Verstärker mit OPV's

[Master_of_disaster]

V1 ganz links hat ja 0 V

[Fipsi]

nein hat er nicht. 100mV die werden aber nicht angezeigt!

[Stromus]

Damit behalte ich Recht und Du lernst tatsächlich einiges auch durch einfache Schaltplaneingabe.

V2 und V3 sind verkehrt eingebunden:

Plus geht an Masse und das ist falsch. So etwas nennt sich negative Sättigung. Dreh bitte die Quellen um, so dass "Minus" an Masse geht.

2. C4 = 1nF soll 10µF

Wie viel beträgt der Lastwiderstand am Ausgang? Es ist nichts zu sehen.

Nein ich bin kein Lehrer!

[Fipsi]

OK
ich habe jetzt alles was du gesagt hast geendert.
Daten Vsin (V4):
VDC=0
VAC=100mV
Voff=0
Vampl=0
Frequ=10kHz
Rest alles 0 außer ab Simulation only da steht alles so wie es ist.

Habe es simuliert und es kommt trotzdem nichts tolles raus. woran liegt das. Die Spg am R9 ist gleich wie der Strom?
Hier ist die Schaltung und die simulation.
http://de.geocities.com/fipsi10001/index.htm

[Stromus]

Nach dem Bild zu urteilen arbeitest Du whrscheinlich mit der 8-er Version von Pspice. Deshalb werde ich Dir die Daten der Parameter geben wie sie unter der Vsin in dieser Version vorhanden sind. Du hast einen Fehler, denn Vampl = 0 und das ist genau die Amplitude der Sinus-Spannung. Also:

DC = 0
AC = 1
Voff = 0 (Du willst keine DC-Anteile in der Sinus haben)
VAMPL = 100mV
FREQ = Wert denn wir ausgemacht haben

[Fipsi]

Habe nachgeschaut und habe die 9.1er Version von PSPice.
Alles geendert wie du gesagt hast und ich denke das ist das richtige ausgangssignal oder

[Stromus]

Das ist jetzt richtig nur verlängere Die Transientenanalyse auf 100ms.

[Fipsi]

hi,
habe noch ein problem.
1.)Ich weiß nicht wo ich die Spg. abgreifen muss damit ich die Verstärkung in der Simulatin sehe.
2.) Ich muss noch das Frequeszverhalten der Schaltung simulieren mit AC Sweep aber ich kenne mich mit Sweep nicht aus.
3.) Und ich muss alle Simulationsergebnisse dokumentieren, verstehe aber nicht ganz wie die Schaltung funktioniert vielleicht kann mir jemand dabei helfen oder es mir erklärern.

[Stromus]

Tja Fipsi, wenn die Sache funktioniert braucht man sich auch nicht mehr melden. Auch nicht um einer Formalität zu genügen. Aber keine Sorge die Hilfe steht Dir zu!
Alle Fragen bis auf AC Sweep sind längst beantwortet und etwas selber zu erforschen ist auch nicht schlecht. Das bedeutet, dass Du den Beitrag zur Funktionalität gar nicht gelesen hast. Was sollte die Verstärkerschaltung tun? Wie der Name schon sagt ein Signal verstärken. Was ist also die Verstärkung?:

v = Ausgangssignal/Eingangsignal

Ac Sweep findet sich unter "Analysis Setup". Man gibt die Start- und die Endfrequenz und nach der Simulationergebnis kommt der sog. Frequenzgang der Schaltung bezüglich der gemessenen Grösse heraus.

[Fipsi]

hi,
habe das problem dass ich nicht weis wo ich die spg. abgreifen muss um den verstärkungsfacktor zu sehen. bzw wo ich die eingangsspg sehe und die ausgangsspannung. ich sehe immer nur diese kurfe die immer höher steigt. oder gehört das so?

[Stromus]

Sinn der Übung war, die Spannung V2 durch eine geeignete Schaltung zu verstärken und an einen Lastwiderstand R_Last abzugeben. Du solltest die Spannungen V2 und V_R_Last aufnehmen und V_R_Last / V2 berechnen. Das ergibt Deine Verstärkung. Diese setzt sich aus der Multiplikation der einzelnen Verstärkungsfaktoren der zwei OP's. Wie man diese berechnet habe ich Dir in einem früheren Beitrag ausführlich beschrieben. Es kommt eine Gesamtverstärkung von etwa 68 zustande.

[Fipsi]

hi,
sorry das ich mich jetzt lange nicht mehr gemeldet habe aber ich habe daweil die schlatung aufgebaut und auch einige herumgearbeitet.
Das jetztige Problem liegt bei den 2 Verschieden großen Spannungsquellen.
Wir muss statt der 9V und der 18V Spg-Quelle eine 9V Spg- Quelle nehmen.
Ich weiß dass du das unsinnig findest, aber wir müssen es nun mal so machen.
Das Problem ist wie du es schon auf seite 1 erwähnt hast dass der OPV in den Begränzer geht.
Jetzt muss ich die Bauteile neu dimensionieren. Habe mich damit mehrere Stunden herumgespielt und alle möglichen Werte veränder.
Habe es aber nicht geschaft die Werte so zu verändern dass der OPV nicht in den Begränzer geht.

Auserdem brauch ich eine Symethrische eingangspannung hat der Lehrer gesagt. Nur leider weiß ich nicht was dass sein soll.

[Stromus]

Mein lieber Fipsi,

jetzt ist es an der Zeit, dass ich meiner wunderbaren Neigung zum Sarkasmus freien Lauf gebe. Es ist rätselhaft, warum eine Schulaufgabe nach mehr als zwei Monaten immer noch auf der Speisekarte steht. Was bringt euch der Lehrer bei? Oder kann es sein, dass er selber kein Bild davon hat?

Die letzte Annahme basiert darauf:

Auserdem brauch ich eine Symethrische eingangspannung hat der Lehrer gesagt

Nein nein und wieder nein! Du brauchst keine symmetrische Spannung am OP-Eingang und dafür empfehle ich, Dir mit maximaler Aufmerksamkeit folgende Disertation durch die Nase zu ziehen:

Fall1: asymmetrische Spannung gegenüber der X-Achse.

Z.B eine Sinusspannung die ungleiche positive und negative Amplituden besitzt. so zu sagen eine VSIN + VDC (wie in Pspice zwei Quellen in Reihe geschaltet). Das ist kein Problem, denn die VDC wird durch C2 weggeschnitten. Die eingestellte Ruhespannung durch R1/R2 (an diese Widerstände solltest Du nicht drehen), die sogenannte Podestspannung (auch eine Gleichspannung) wird vom C3 weggeschnitten. Diese Podestspannung sorgt dafür, dass der OP sowohl positive als auch negative Eingangsspannungen verstärken kann, weil Du keine negative (-9V) Spannung für die OP-Versorgung zur Verfügung hast. Wenn doch, dann kannst Du die zwei Widerstände R1 und R2 weglassen.

Fall2: asymmetrische Spannung gegenüber der Y-Achse

Dieser Fall ist für Dich kompliziert in der Betrachtungsweise, aber prinzipiell brauchst Du nichts tun außer aufpassen, dass Dein Signal keine steilen Flanken besitzt, oder die Frequenz nicht über 10kHz hinausgeht.

Wie ist die Verstärkung zu betrachten? Die Antwort habe ich Dir schon längst gegeben:

vu = Uaus/Uein = (100k + Xc + 4k7)/(4k7+Xc)

Durch geeignete komplexe Berechnung kann dann auch die Phasenverschiebung ermittelt werden. Wir vereinfachen hier und bekommen eine Vu = (100k+4k7)/4k7 = 22.2766

Also ist die Vu = (R3+R4)/R4

Machen wir doch ein Rechenbeispiel unter der vereinfachten Annahme, die Schaltung würde aus einer einzigen OP-Stufe bestehen

Diese Vu wählst Du nach folgendem Kriterium:

es sollte bekannt sein, wie hoch die Spannung am V2 werden kann (maximale Amplitude des Mikro-Signals, die technisch möglich ist)

In unserem Beispiel nehmen wir doch an, dass diese Amplitude maximal 100mV betragen kann.
Damit darf die Verstärkung auf maximal ca. Vu = 4V/100mV = 40 eingestellt werden
Warum 4V? Zunächst wegen der Verschiebung des Nullpunktes durch R1, R2. Damit stehen uns nur ca. 4V nach oben (für positive Spannungen) und 4V nach unten (für negative Spannungen) zur Verfügung und... damit die Grenze der 9V-Spannung nicht angetastet wird, lassen wir noch 1V-Reserve zu (sonst gibt es Deine bekannte Begrenzung). Jetzt brauchst Du einen Wert für R3 wählen. Sagen wir mal zwischen 10k und 100k. Die weitere Berechnung liefert dann R4.

Wenn jetzt ein zweiter OP (auch an 9V) reinkommen soll, dann musst Du die Verstärkung 40 auf zwei OP's teilen, denn die neue Verstärkung ist nach wie vor auf 40 begrenzt, teil sich aber auf 2 OP's so:
Vu1 x Vu2 = 40
Z.B für den ersten OP Vu1 = 20 => R3 wird gewählt R4 berechnet
und für den zweiten OP 40 / Vu1 = 40/20 = 2

wieder R10 wird gewählt (z.B 10k) und R9 wird berechnet

Wie funktioniert die OP-Schaltung?
Der OP ist hier als nichtinvertierender Verstärker benutzt (Elektrometerverstärker  dazu gibt es reichlich Literatur)

Das bedeutet jede Spannung, die am positiven Eingang gespeist wird, wird um den Faktor

Vu = (R1+(R2 + Xc1))/(R2+Xc1)

Verstärkt un am OP-Ausgang wiedergegeben

Wir haben Xc1 in unseren Berechnungen vernachlässigt, weil Xc1 = 1/(2*Pi*Frequenz*C1) und weil bei 10kHz
Xc1 = 1/(2*Pi*10000*10µF) = 3Ohm und nicht ins Gewicht relativ zu R4 fällt (Xc<<<<R4)

Übrigens je tiefer die Frequenz wird, desto größer wird Xc1. Xc1 wird eigentlich immer so gewählt, dass bei der tiefsten Mikrofonfrequenz immer noch gering gegenüber R4 ausfällt. Diese Frequenz kann z.B. mit 100Hz angenommen werden und Xc1 als (über den Daumen gepeilt) R4 / 10 gewählt wird. Daraus (und nachdem R4 berechnet wurde) lässt sich den Wert für C1 berechnen.

Nun im Ruhezustand, wenn die Sinusspannung V2 noch nicht eingespeist wird, „sieht“ der positive Eingang genau die Hälfte der 9V-Spannung = 4,5V (weil R1 = R2 = 100kOhm) . Der OP versucht am Ausgang eine Spannung herzustellen so, dass sich durch die Rückführung R3, R4, C1 genau die gleiche Spannung am negativen Eingang wie am positiven auftritt. In diesem Fall genau 4,5V.
Für DC-Spannungen ist Xc quasi sehr groß. Das bedeutet C1 wird geladen und geladen und geladen bis die Spannungen am positiven und am negativen Eingang gleich sind. Dann hört der OP auf weiter Strom nachzuliefern. C1 lädt sich praktisch auf 4,5V und in diesem Augenblick liefert der OP kein Strom mehr, der keine Spannungsabfälle auf R3 und R4 erzeugt. Jetzt beginnt sich C1 zu entladen durch den OP-Ausgang, aber geringfügig bis der OP merkt zwischen dem positiven und dem negativen Eingang gibt es wieder Differenz und pumpt wieder in C1 nach. USW....!

Tritt eine Sinusspannung am positiven Eingang auf, so pumpt wieder der OP in C1 um das Gleichgewicht der Eingänge zu halten nur dieses Mal wird plötzlich C1 niederohmig bei dieser Frequenz (siehe Xc1 mit Frequenzabhängigkeit), also pumpt der OP mehr. Damit schafft aber der OP den Kondensator nicht mit dieser Sinus-Spannung zu laden, so dass die Sinusspannung entsprechend verstärkt auf dem Ausgang zu sehen ist und teilt sich auf R3 und R4. Im Endeffekt ist R3, R4, C1 ein Spannungsteiler mit unterschiedlichen Werten für C1. Bei DC-Spannung ist C1 so zu sagen der größte Widerstand, hat also den größten Spannungsabfall und für Frequenzen ist er durchlässig, hat also den kleinsten Widerstand.

Also am negativen Eingang wird immer die Spannung nachgeregelt U_C1+ U_R4 = Spannung am positiven Eingang = 4,5V hier

Bei DC ist U_C1 das dominierende Teil und bei AC ist U_R4 das dominierende Teil

Praktisch wird hier die Eigenschaft der Kondensatoren ausgenutzt: Gleichspannungen nicht durchzulassen (in Form vom fehlenden Stromfluss durch den Kondensator) und für immer höher werdende Frequenzen durchlässiger zu werden (der Stromfluss findet wieder statt, aber ohne die DC-Eigenschaft zu beeinflussen)

Die selbe Eigenschaft wird übrigens am C2 auch ausgenutzt. Wenn die Sinusspannung V2 DC-Anteil hätte, dann würde sich C2 auf diese DC-Spannung aufladen (kurzer Stromfluss durch C2) und nur die Sinus fast unverfälscht durchlassen. Probiere das aus in PSpice

[Fipsi]

hi,
ne super antwort. echt lang.
aber wenn ich erlich bin weiß ich nicht ob du meine frage jetzt beantwortet hast oder nicht. Ich habe mir das ganze min. 5 mal durchgelen und bin nicht schlau daraus geworden.
Mir würde einfach reichen wenn du mir sagen würdest mir welcher Formel ich die Dimensionierung der einzelnen Wid. und Kond. berechen würde.
Ist nicht bös gemeint, einer der seit vielen jahren damit zu tun hat liest das und sagt das ist alles wunderbar aber ich habe damit erst ca 2 jahre zu tun und wir lernen hautsächlich die einzelnen Bauteile.

[Stromus]

Hallo Fipsi,

die Formel habe ich Dir schon 2 Mal gegeben. Vielleicht macht aber Sinn an dieser Stelle zu unterbrechen und in einigen Jahren wieder zu versuchen, wenn Du auch die nötigen Kenntnisse dazu hast wie z.B. die komplexe Rechnung. Erst dann wäre Dir klar, wie der Kondensator funktioniert usw. Was ich aber nach wie vor behaupte: Dein Lehrer ist eine Pflaume und Du darfst mich gerne zitieren.
Wenn es aber bei Dir liegt, weil Du nicht mitkommst, dann ist es an der Zeit aufzuwachen. Ansonsten sind die Alternativen im Arbeitsmarkt relativ mager!
Ich mache an dieser Stelle mit diesem Thema nicht mehr weiter!