OPV "AD812" schwingt wegen Feedback-Kondensator

[thomasschoenau]

Hallo,

ich habe einen einfachen Integrator gebaut:

Der OPV "AD812AR" hat in der Rückkopplung einen Widerstand von 680Ohm parallel zu Kondensator 330pF. Am Eingang sind ebenfalls 680 Ohm.

Der Witz ist, daß er mit Kondensator bei ca. 80Mhz schwingt.
Baue ich den Kondensator aus, funktioniert es einwandfrei!
--> Rauschen = 2 nV / Wurzelherz

Eigentlich sollte der Kondensator in der Rückkopplung doch aber genau diese Schwingung unterdrücken (er geht auf den invertierten Eingang!).

Ich wollte nur fragen, ob jemand vielleicht eine Erklärung dafür hat.
Speziell denke ich daran, daß es sich hier laut Datenblatt um einen stromrückgekoppelten OPV handelt. Im Datenblatt sind interessanterweise alle Beispielschaltungen OHNE Kondensator in der Rückkopplung!
Ich habe nur leider nicht viel Ahnung von OPVs und weiß nicht, ob es vielleicht an der "Stromrückkopplung" liegen kann. Wäre schön, wenn mir jemand ein paar Hinweise geben könnte.

Vielen Dank!
Thomas

[anders]

daß er mit Kondensator bei ca. 80Mhz schwingt

Das kommt hin.
Dein Kondensator hat bei 80MHz nur noch einen Blindwiderstand von 6 Ohm und damit ist die Verstärkung praktisch 1.

AD812-Bode.PNG

Warum benutzt du solch ein Renntier, das prinzipbedingt auch noch eine relativ hohe Offsetspannung hat, für "einen einfachen Integrator" ?

[thomasschoenau]

Hallo,

ich habe deine Antwort leider nicht wirklich verstanden.
Wie kommst du auf eine Verstärkung von 1?
Eine Verstärkung von 1 entspricht 0 dB --> und das ist im angehängten Graph an fast jeder Stelle (bei niedrigen Frequenzen) der Fall.
Abgesehen davon soll der Integrator ja auch eine Verstärkung von 1 haben.
Und wodurch kommt jetzt die Schwingung von 80 Mhz zustande?

[anders]

Und wodurch kommt jetzt die Schwingung von 80 Mhz zustande?

Durch die Phasendrehung.
Wenn du dir das Diagramm mal anschaust, siehst du dass in dieser Gegend die Phasendrehung zwischen +Eingang und Ausgang 90° überschreitet.
Diese Spannung kann man vektoriell in eine 90° und eine 180° Komponente zerlegen.
Die 180° Komponente macht aus der Gegenkopplung eine Mitkopplung und zusammen mit der starken Kopplung zwischen Ausgang und Eingang führt das zu der ungedämpften Schwingung.

[thomasschoenau]

Hallo,

zunächst erstmal eine kleine Korrektur:
Ich habe eigentlich gar keinen wirklichen Integrator gebaut, sondern einen Verstärker mit Hochfrequenzunterdrückung. Also mit einer Parallelschaltung aus Widerstand und Kondensator in der Rückkopplung.
An der Erklärung mit dem Diagramm liegt es wahrscheinlich nicht, denn wie schon erwähnt schwingt das System nur, wenn der Kondensator (der ja eigentlich hohe Frequenzen unterdrücken soll) eingebaut ist. Sobald er ausgebaut ist funktioniert der Verstärker einwandfrei!

Literaturrecherche hat folgendes ergeben:
Im Buch: "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze/Ch.Schenk, 12. Auflage, Seite 562, steht:

Damit die Gegenkopplung des CV-Operationsverstärkers die Verstärkung durch Stromgegenkopplung bestimmen kann, muss sie aus ohmschen Widerständen bestehen. Die Schaltung wird instabil, wenn man R_N oder R_1 durch einen Kondensator ersetzt. Deshalb lässt sich mit CV-Operationsverstärkern kein Integrator oder Differentiator realisieren.


CV-OPV heisst auch "Current-Feedback"-OPV
Und leider wurde es nicht detailierter erklärt.

[anders]

Doch daran liegt es und daran, dass der invertierende Eingang bei CFB-Opamps sehr niederohmig ist.
Die Dinger sind bei jeglicher kapazitiven Belastung (bei einigen genügt eine Massefläche unter dem SMD-PAD) des invertierenden Eingangs notorisch schwingfreudig.
Schön dass auch der Tietze-Schenk das weiß.
Hinzu kommen bei so schnellen Verstärkern noch etliche andere Möglichkeiten sich Instabilitäten einzuhandeln.
Da du aber meine Frage nach dem warum gerade so nicht beantwortest, halte ich es für müßig darüber zu diskutieren.

[thomasschoenau]

Hatte leider ganz vergessen zu erwähnen, wozu ich den OPV brauche.
Schien mir in dem Moment aber auch nicht so wichtig.

Also der OPV soll Verstärker (bzw. machmal auch Integrator) in einer FLL-Elektronik sein.
D.h. zur Linearisierung von SQUID-Kennlinien.
Und damit die Slewrate des Gesamtsystems möglichst groß ist, brauche ich ein hohes Verstärkungs-Bandbreite-Produkt.

Gibt es VV-OPVs mit ähnlich hoher Bandbreite?

[anders]

Ja gibts. Auch bei den üblichen Verdächtigen.
Werden gerne als Vorverstärker für schnelle ADCs eingesetzt.

[Stromus]

Die Erklärung dafür, dass eine Rückkopplung am negativen Eingang zur Schwingung führt ist durch folgende Punkte gegeben:

1. Der invertierende Eingang bringt bereits eine Phasendrehung von 180°
2. Der OP hat einen eigenen Frequenzgang mit Phasendrehung (2...3 Grenzfrequenzen, je nach Anzahl der
3. Die gesamte Phasendrehung erreicht 360° (Phasenrand kleiner oder gleich 0°)
4. Die Verstärkung ist größer "1"

Damit solltest Du folgende Schritte unternehmen:

11. Den Frequenzgang des OP's ohne Rückschleife aufnehmen (Datenblatt??)
22. Darüber Frequenzgang des Filters in der Rückschleife auflegen (Verstärkung durch die Rückkopplung)

Wenn die Kurve aus 22 die Kurve aus 11 die erste -20dB-Strecke schneidet, so ist die gesamte Schaltung stabil. Hier wird der Phasenrand größer 0° sein. Damit das ganze anschaulicher wird nehmen wir folgendes Beispiel an:

Sei der Frequenzgang 11 eine Charakteristik mit drei Grenzfrequenzen (wegen 3 Stufen im Aufbau des OP's):

1. bis f1 = 1kHz sei V = 120dB
2. Ab f1 = 1kH => -20dB/Dekade bis f2 = 10kHz
3. Ab f2 = 10kHz bis f3 = 100kHz => -40dB/Dekade
4. Ab f3 = 100kHz bis f4 = 1MHz => -60dB/Dekade

Mal angenomen die Rückschleife des OP's weist eine Charakteristik auf mit Schnittpunkt in der ersten Dekade des offenen OP's im Bereich 5kHz. Die Verstärkung sei 106dB.
Die Phsenverschiebung durch die 3 internen Stufen des OP's beträgt bei dieser 5kHz-Frequenz:
Phi = -arctan(5kHZ/1kHz) - arctan(5kHz/10kHz)- arctan(5kHz/100kHz) = -108°
Damit beträgt dein Phasenrand 180° - 108° = 72° > 0° => die Schaltung ist stabil für alle Frequenzen im Durchlassbereich mit geschlossener Schleife.

Deine Schaltung ist vermutlich deshalb nicht stabil, weil der Schnittpunkt der beiden Charakteristiken auf der -40dB-Strecke oder gar auf der -60dB-Strecke existiert. Es gibt zwei Möglichkeiten:

1. Verstärkung erhöhen --> passiert bereits in dem Moment wo der Kondensator verschwindet => Der Schnittpunkt ist wahrscheinlich durch die Abfallende Charakteristik der Schleife (-20dB/Dekade) und der -40dB- oder -60dB-Strecke des offenen OP's gegeben
2. Kompensation

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Es gibt vielleicht aber auch noch einen Ansatz. Es kann gut sein, dass Deine Probleme auch durch den Messaufbau induziert werden. Bitte bei den Messungen kurze Masse verwenden!