Warum verwendet man chopperstabilisierte OPAmps

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Autor
Warum verwendet man chopperstabilisierte OPAmps

    







BID = 686563

powersupply

Schreibmaschine



Beiträge: 2921
Wohnort: Schwobaländle
 

  


Hallo

Ich haben in meinem Burster Digomat einen chopperstabilisierten Opamp(AD260K) drin
Und nun ist mir ein Linseis Schreiber über den Weg gelaufen der im kleinsten Messbereich von 0,5mV Endausschlag hat.
In diesem Messbereich diesem findet ein MAX430 als Vorverstärker Verwendung.

Mir ist nun nicht klar warum ein zerhacktes Signal besser zu verstärken sein soll als ein linerares.
Kann mir bitte jemand die Hintergründe etwas näher bringen?

Gruß powersupply

BID = 686576

GeorgS

Inventar



Beiträge: 6450

 

  

Edit wegen ist nicht

[ Diese Nachricht wurde geändert von: GeorgS am 27 Apr 2010 11:24 ]

BID = 686585

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

Man macht das, weil chopperstabilisierte Operationsverstärker einfacher anzuwenden sind als echte Chopperverstärker.

Der Grund liegt darin, daß es schwierig ist kleinste Gleichspannungen zu verstärken, weil der Verstärker selbst ja mit viel höherer Gleichspannung betrieben wird, und das Messignal dadurch verfälscht wird.
Da diese überlagerte Fehlerspannung (Offset) von Temperatureinflüssen und Alterung beeinflußt wird, ist es praktisch unmöglich sie auf Dauer durch eine von Hand eingestellte Korrekturspannung zu kompensieren.

Durch symmetrische Auslegung des Verstärkers versucht man diese dem Eingangssignal überlagerte Fehlerspannung möglichst gering zu halten, aber das gelingt nur in Grenzen. Bei vielen preiswerten Operationsverstärkern liegt sie in der Größenordnung von 2..5mV, also das zehnfache des Meßbereichs deines Schreibers, moderne Präzisionsverstärker kommen auf etwa 200µV, was immer noch viel zu viel ist.


Deshalb hat man schon vor sehr langer Zeit, als nur Röhren zur Verfügung standen, die Eingangsspannung mit einem mechanischen Zerhacker, der ähnlich wie ein Relais aufgebaut ist, aber mit der Netzfrequenz schwingt, in eine Wechselspannung verwandelt, diese dann in einem rein wechselspannungsmäßig gekoppelten Verstärker problemlos sehr hoch verstärkt und anschliessend einem phasenselektiven Gleichrichter zugeführt.

Bei den Kompensationsschreibern, wie deinem Linseis, wird parallel zur Schreibernadel ein Präzisionspoti angetrieben, welches an seinen Enden mit der Referenzgleichspannung von 0,5mV gespeist wird, und dessen Abgriff somit eine Spannung von 0..0,5mV zur Verfügung steht.
Diese Spannung wird in (Anti-)Serie mit der Eingangsspannung geschaltet, und der Antriebsmotor mit dem verstärkten Summensignal so gesteuert, dass der Verstärker immer 0 an seinem Eingang sieht.

Noch in der Transistorzeit hat man bei derartigen Servosystemen oft auch auf die phasenselektive Gleichrichtung verzichtet und statt dessen zweiphasige Asynchronmotoren als Antrieb verwendet:
Eine Wicklung wird mit Netzspannung gespeist, die andere bekommt das um 90° phasenverschobene Signal des Verstärkers. Wenn das 0 ist, steht der Motor, sonst läuft er je nach Polarität des Eingangssignals vorwärts oder rückwärts bis das Eingangssignal wieder 0 ist.

Mit derartigen Chopperverstärkern konnte man Nullpunktsfehler der Eingangsspannung schon zur Röhrenzeit leicht auf weniger als 1µV bringen.

Später hat man anstelle des mechanischen Choppers auch Feldeffekttransistoren oder Fotowiderstände verwendet, aber der hauptsächliche Nachteil dieser Verstärker bestand darin, dass sie sehr langsam waren.
Aus prinzipiellen Gründen liegt die obere Grenzfrequenz nämlich weit unter der halben Chopperfrequenz, und weder bei den mechanischen noch bei den elektronischen Schaltern kann man die Chopperfrequenz beliebig erhöhen, ohne sich neue Probleme einzuhandeln.

Deshalb war es wirklich ein Meilenstein, als Intersil (gegen Ende der 1970er?) den ICL7650 auf den Markt brachte. http://www.datasheetcatalog.org/dat.....B.pdf (Maxim war Second Source).
Das ist der Uhrahn der chopperstabilisierten Operationsverstärker und in dessen Datenblatt findest du auch genau erklärt, wie dort der Eingangsspannungsfehler eines gewöhnlichen Operationsverstärkers mit akzeptabler Grenzfrequenz durch einen zusätzlichen Chopperverstärker kompensiert wird.

BID = 686633

powersupply

Schreibmaschine



Beiträge: 2921
Wohnort: Schwobaländle

Puhhh

Das war jetzt aber super beschrieben Danke dafür.
Werd es aber trotzdem noch zweimal lesen müssen um alles halbwegs in die richtigen Schubladen einsortieren zu können.

powersupply

Edit: In dem Linseis wird der 0,5mV Messbereich durch einen Verstärker separat vorverstärkt und das Ausgangssignal dem eigentlichen Messverstärker(auch ein MAX430) als Messignal zugeführt. Ich vermute mal damit die erwähnte Servoelektronik, unabhängig vom gewählten Messbereich, immer mit dem selben Spannungspegel arbeiten kann. Es sind ja insgesamt 18 Spannungs- und 6 Strommessbereiche vorhanden.

[ Diese Nachricht wurde geändert von: powersupply am 27 Apr 2010 18:15 ]

BID = 686654

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
In dem Linseis wird der 0,5mV Messbereich durch einen Verstärker separat vorverstärkt und das Ausgangssignal dem eigentlichen Messverstärker(auch ein MAX430) als Messignal zugeführt.
Ja, und das ist auch richtig so.
Meine Schilderung des Aufbaus einer solchen Servoelektronik war auch eher prinzipieller Art.

Im Grunde genommen wäre es ja gleichgültig, ob man die Referenzspannung von z.B. 5V zuerst abschwächt und dann 0,5mV auf das Servopoti gibt, ob man die Eingangsspannung zuerst auf 5V verstärkt und das Servopoti mit der vollen Referenzspannung betreibt, oder ob man die von dem mit voller Spannung betriebenen Servopoti gelieferte Spannung abschwächt und dann mit dem Eingangssignal vergleicht.

In deinem Fall hat man offensichtlich einen Mittelweg gewählt, und das Eingangssignal zuerst etwas verstärkt, sodaß man das Servopoti nicht mit der ganz kleinen Spannung betreiben muss.
Vermutlich sind Thermospannungen, die sich zwischen dem Widerstandsdraht und dem Schleifer ausbilden können, der Grund dafür.
Widerstandsdraht und Schleifer müssen ja aus mechanische Gründen aus verschiedenen Materialien bestehen, weil sie sonst fressen.
Durch dies unterschiedlichen Materialien entstehen dann schnell mal Thermospannungen in der Größenordnung von 10µV/°C oder mehr.
Zur Vermeidung dieses Effekts gab es auch Ausführungen mit zwei mechanisch parallelen Widerstandsbahnen und einem Doppelschleifer. Einer dieser sonst identischen Widerstände war nur einseitig angeschlossen und diente lediglich als Stromzuführung zum Schleifer.

Aber auch die Einflüsse von Störspannungen, Aussteuerungsbereich und Nichtlinearitäten des Verstärkers und vor allem des unvermeidlichen Rauschens müssen sorgfältig bedacht werden, wenn man an der Grenze des Machbaren messen will.
Oft möchte der Kunde dann auch noch Nullpunktsverschiebungen in Höhe des mehrfachen Messbereichs und will mit den gleichen Gerät auch 100V messen können.
Diese Überlegungen alle unter einen Hut zu bringen, führt dann gelegentlich zu nicht ganz so einfachen Schaltungen.




BID = 687333

powersupply

Schreibmaschine



Beiträge: 2921
Wohnort: Schwobaländle


Zitat :

Diese Überlegungen alle unter einen Hut zu bringen, führt dann gelegentlich zu nicht ganz so einfachen Schaltungen.


Dein Wort in meinem Ohr

Hab mir die Schaltung mit dem MAX430 mal herausgezeichnet und unten angehängt.
Da die errechnete Verstärkung nicht mit der Wirklichkeit in Einklang zu bringen ist, muss ich nochmal um Nachhilfe bitten.
Gemessen hab ich eine Verstärkung von 20.
Rechnerisch sollten, meinem rudimentären Wissen zu Folge und der Wikipediaangabe Bild eingefügtnach, etwa eine Verstärkung von 527 herauskommen.
R9 in dem Plan hat übrigens 1001Ohm.

Kann mir jemand erklären wie ich anhand der Schaltung auf die Verstärkung 20 komme?

Danke schon mal.
powersupply

BID = 687414

powersupply

Schreibmaschine



Beiträge: 2921
Wohnort: Schwobaländle

Sch**e. Knick in der Optik...

Der Widerstand R9 gehört natürlich zwischen R5 und R6 eingezeichnet und hat genau 1000Ohm. Dann stimmt natürlich auch wieder die Formel von Wikipedia

Sorry fürs Durcheinander.

powersupply


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