Chopper-stabilisierter Operationsverstärker rastet ein, billiger Operationsverstärker nicht

Ich habe einen einfachen Drucksensor-Puffer/Verstärker, bei dem ich ein seltsames Latch-up erlebe, wenn ich einen schicken Chopper-stabilisierten Operationsverstärker für U2 verwende.

Schaltplan Differenzverstärker

Der Drucksensor ist ein MDPS-002 (die 700-kPa-Version). Hier wird das Datenblatt lokal gespiegelt .

Die Gleichtaktspannung vom Sensor beträgt etwa 1,5 V. VIN ist 5 V und die 3,3-V-Sensorversorgung kommt von einem LDO, das von VIN bezogen wird. 1uF- und 0,1uF-Kondensatoren am Operationsverstärker und am Ausgang des LDO. Der Ausgang des Operationsverstärkers wird in einen ADC-Eingang eines AVR eingespeist, aber ich habe auch den AVR entfernt, um das Problem zu isolieren, ohne Erfolg.

Grundlegender Betrieb: Der Drucksensor erzeugt an seinen Ausgängen eine Spannung von 0–100 mV für den Bereich von 0–100 PSI. Die Verstärkung des Operationsverstärkers soll 20 betragen, aber ich muss die Widerstände anpassen, um die Sensorimpedanz (TODO) zu berücksichtigen. Bis dahin beträgt der Gewinn ~17. Beim Testen des Sensors erhöhe ich den Druck von 0-100 PSI und überwache den Ausgang des Operationsverstärkers. Es scheint größtenteils korrekt zu verfolgen, aber wenn es zu einem plötzlichen Druckabfall oder sogar zu einer langsamen (über Minuten) Druckentlastung kommt, besteht eine sehr gute Chance, dass der Operationsverstärker verriegelt.

Wenn das Latch-up auftritt, bleibt der Ausgang des Operationsverstärkers bei ~1,5 V "hängen". Das Durchschalten der Stromversorgung korrigiert dies nicht, ebenso wenig wie das vorübergehende Kurzschließen des Ausgangs des Operationsverstärkers gegen Masse. Wenn Sie den Druck wieder erhöhen (entweder langsam oder schnell), kann der Ausgang irgendwie wieder dorthin zurückkehren, wo er sein sollte, aber er ist oft um ein paar hundert mV daneben. Wenn der Druck wieder abfällt, sodass der Sensorausgang ~40 mV beträgt, wird der Operationsverstärker wieder einrasten. Seltsam.

Irgendwann (viele Minuten) erholt sich der Operationsverstärker, aber der Ausgang kann überall "wandern" (von den 60 mV sollte er bei Umgebungsdruck bis zur Latch-up-Spannung liegen. Manchmal tritt dieser wandernde Ausgang direkt von auf Einschalten.Ich kann die Quelle dafür anscheinend nicht identifizieren.Ersetzte den Operationsverstärker, ersetzte den Sensor, nichts scheint eine große Wirkung zu haben.

Aus einer Laune heraus habe ich den Chopper-stabilisierten Operationsverstärker MCP6V11 durch einen billigen MCP6001 ersetzt. Kein Latch-up, niemals, und die Schaltung funktioniert wie erwartet.

Ich habe versucht, C1 zu entfernen, weil ich dachte, dass vielleicht ein kurzer negativer Impuls dazu führte, dass der Operationsverstärker einklinkte, aber das änderte nichts. Die Versorgung ist sauber, und dieser Operationsverstärker ist so langsam (80 kHz, ja, Kilohertz, GBWP), dass ich mir angesichts der Impedanzen in der Schaltung nicht vorstellen kann, dass er oszilliert.

Ich habe einen Teil des Tages damit verbracht, über Chopper-Stabilisierung und mögliche Fallstricke mit dieser Art von Operationsverstärkern zu lesen, aber dieses spezielle Verhalten ist etwas, auf das ich bei meinen Lesungen nicht gestoßen bin.

Hat jemand das schon mal gesehen oder hat jemand eine Idee, was ich tun könnte, um es zu mildern? Ich suche nach einer Antwort, die das Phänomen und die Lösung erklärt.

20150428 Aktualisierungen

Ich bin jetzt wieder dabei und kann einige Ergebnisse berichten. Zuerst verwende ich ein Oszilloskop, um die Ausgabe des Operationsverstärkers zu beobachten. Es schwingt definitiv nicht. AC-gekoppelt, 50uV/div und 10us/div gibt es dort kein Rauschen, das das Oszilloskop nicht schon zeigt, wenn ich nur den Eingang des Oszilloskops kurzschließe.

Ich habe C1 entfernt: keine Änderung. 10-nF-Bypass-Kappen zu R1 und R4 hinzugefügt: keine Änderung.

Kurzschließen der Ausgänge des Sensors (Kurzschluss von Pin 3 zu Pin 6): Der Ausgang des Operationsverstärkers fällt sofort auf 0 V und bleibt dort, solange der Kurzschluss bestehen bleibt. Entfernen Sie den Kurzschluss und er springt zurück auf die Gleichtaktspannung von ungefähr 1,5-1,6 V.

Variieren der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers von 3,4 bis 5,25 V: keine Änderung.

Als ich mir nur den Ausgang des Operationsverstärkers mit angeschlossenem Oszilloskop ansah, sah ich, dass er auf die 100 mV herunterwanderte, die er haben sollte. Das "Wandern" war mehr oder weniger linear und dauerte etwa 6s. Es blieb dort für etwa 30 Sekunden und wanderte dann in der gleichen Zeit wieder auf 1,5 V.

20150509 Aktualisierungen

Zusammen mit einem Kollegen wird die Sache etwas klarer.

Wir (er) bemerkten, dass die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers genau die Spannung am negativen Eingang war. Er stellte die Hypothese auf, dass es einen stabilen Punkt im Betrieb gibt, an dem R4 irrelevant wird, wenn die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist (es fließt kein Strom). Das Kurzschließen des Ausgangs des Operationsverstärkers kann manchmal dazu führen, dass er sich erholt, aber nicht immer. Ich habe den Test "Brückenausgänge kurzschließen" wiederholt und der Operationsverstärker geht immer auf 0 V, wie bereits berichtet.

Der Operationsverstärker scheint seine Arbeit richtig zu machen, da ich mit meiner Hand einen Fehler einführen kann, indem ich +3,3 V oder GND und den Sensorstift 3 oder 6 überbrücke, der etwas Strom injiziert, die Brücke aus dem Gleichgewicht bringt und den Ausgang nach oben treibt oder runter.

Ich nahm meinen alten 5,5-stelligen Fluke 8842A und maß zwischen Pin 3 und 6 der Brücke und maß dann mit einem anderen Messgerät den Ausgang des Operationsverstärkers. Die Messwerte zeigen an, dass die Verstärkung ungefähr richtig ist, und wenn der Operationsverstärker höher liest als er sollte (aber nicht an der Gleichtaktspannung "hängt"), liegt dies daran, dass die Brücke einen höheren Ausgang als erwartet anzeigt. An diesem Punkt beginnen er und ich beide zu vermuten, dass es einen Streuverlustpfad gibt, der in Kombination mit der komplexeren Eingangsstruktur des Operationsverstärkers dazu führt, dass er auf diese Weise arbeitet. Wir haben versucht, einen 1M-Widerstand über die Brückenausgänge zu legen, aber das führte dazu, dass der Operationsverstärker sofort auf die 1,56-V-Gleichtaktspannung sprang. Wenn ich einen der beiden Zweige der Brücke erde, geht der Ausgang des Operationsverstärkers entweder auf Null oder auf Vollausschlag (5 V), was ebenfalls Sinn macht.

Ich habe die Platte mit wasserfreiem Isopropylalkohol abgewaschen, keine Änderung der Ausgabe, daher schließe ich eine physikalische Kontamination aus.

20150511 Aktualisierungen

Es sieht so aus, als hätte @DwayneReid etwas vor. Ich habe eine emulierte Brücke mit vier 10k-Widerständen auf 0,100-Zoll-Headern aufgebaut und der Operationsverstärker funktionierte korrekt:

emulierte Brücke

Eine Differenz von 1,3 mV wurde in eine Ausgabe von 50 mV umgewandelt, was eine Verstärkung von etwa 38,5 ergab. Ich habe dann den eigentlichen Sensor an weitere 0,100-Zoll-Header gelötet und angeschlossen, damit ich das eine oder andere ausprobieren konnte:

Sensor an den Kopfstücken

Der Sensor zeigte eine Differenz von 48 mV (was für diesen Sensor bei atmosphärischem Druck falsch ist), aber was noch wichtiger ist, der Ausgang des Operationsverstärkers sprang auf 2,38 V (eine Verstärkung von 50). Ich nahm dann einen neuen Sensor, lötete ihn an 0,100-Zoll-Stiftleisten und probierte das aus. Die Spannungsdifferenz betrug 3,25 mV und der Verstärkerausgang 147 mV (Verstärkung = 45). Noch wichtiger, der Ausgang blieb stundenlang stabil und das trotz all meiner Fingerberührungen und Schmeichelei, blieb auf diesem Wert.

Um es kurz zu machen, es sieht so aus, als hätte ich den Sensor beschädigt, und zu meinem Leidwesen war die "richtige" Ausgangsspannung zufällig die Gleichtaktspannung. Mit meiner Stecklösung konnte ich auch die Sensoranregungsspannung leicht variieren und dort konnte ich sehen, wie der Operationsverstärkerausgang die Verstärkung korrekt verfolgte.

Mit den Sensoren an Breakouts war es für mich einfach, auch ihre Impedanz zu messen. Die Sensorimpedanz wird auf dem Datenblatt mit typischerweise 5k (mit einem Bereich von 3-6k) angegeben. Ich habe die Thevenin-Impedanz mit 2,5 k gemessen, was meine Verstärkungsberechnungen verworfen hat (ich hatte den typischen Wert von 5 k aus dem Datenblatt verwendet). Mit 2,5 k und 2 k als Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers und 100 k Rückkopplungswiderstand sollte die Verstärkung theoretisch 100/4,5 oder 22 betragen, was immer noch von meinen gemessenen Verstärkungen abweicht.

Die 10k-Brücke hat einen Thevenin-Widerstand von 5k, also sollte die Verstärkung theoretisch 100/7 oder 14,3 betragen, aber mit der Widerstandsbrücke sehe ich 50 mV raus mit 1,3 mV rein für eine Verstärkung von 38. Ich bin mir nicht sicher, was der Grund dafür ist diese Diskrepanz ist.

Wie auch immer - danke an alle. Ich habe während dieser Übung VIEL gelernt.

Wenn Sie nur an der Genauigkeit bei niedrigen Frequenzen interessiert sind, experimentieren Sie mit der Reduzierung der HF-Verstärkung mit einem Kondensator über R4, 0,1 uF wären -3 dB bei 100 Hz. Wenn Transienten eine Ausgangsbegrenzung verursachen, kann dies ein Faktor für Latchup sein.
Verbessert sich die Situation, wenn Sie das Umgehungsschema so ändern, dass es dem RTD-Sensor ähnlich ist, Abbildung 4-12 auf Seite 24 des Datenblatts ?
Wenn Sie sagen, dass der Ausgang verriegelt und dann wandert, betrachten Sie ihn mit einem Messgerät oder mit einem Zielfernrohr? Ein wanderndes Messgerät ist ein klassisches Oszillationszeichen.
Ich mag C1 nicht. Wie Medo42 sagt, verschieben Sie C1 woanders hin. (Machen Sie einen Filter an der Stromversorgung, die die Brücke speist.) Auch auf der anderen Seite die Widerstände R2, R3 (glaube ich)
Eine Sache bei Chopper-stabilisierten Verstärkern ist, dass sie erhebliche Taktimpulse aus ihren Eingangspins bekommen können. Es ist schwer vorstellbar, wie sie mit dem Drucksensor interagieren könnten, aber es ist möglich. Was ist das für ein Sensor? Ein Kondensator über dem Sensor kann etwas identifizieren.
Der Ausgang ist stabil und schwingt definitiv nicht, er hängt die meiste Zeit nur um die Gleichtaktspannung von 1,56 V herum, aber gelegentlich (viele Minuten zwischen den Intervallen, nicht etwas, das Sie zeitlich festlegen können, oder mit einer konstanten Periode) fällt der Ausgang ab wo Es sollte ein paar bis ein paar Dutzend Sekunden dauern, dann wieder hoch. Liefert sauber, Eingänge sauber, nichts schwingt.
Hast du den gechoppten Verstärker auf einen Defekt getestet? vielleicht ist es ein defektes Teil.
@VladimirCravero ja, habe zwei Geräte auf zwei verschiedenen Boards ausprobiert.
Wie viele (einschließlich mir selbst) angedeutet haben, ist die Position des Kondensators schrecklich faul und kann zu Instabilität führen. Ein Multimeter sagt dir das nicht. Ein Oszilloskop sollte es Ihnen sagen, aber es besteht die Möglichkeit, dass die Sondenbelastung die Schaltung wieder stabil werden lässt. Haben Sie also eine der anderen Schaltungskonfigurationen ausprobiert, um zu sehen, ob sie bereinigt wird? Im Ernst, probieren Sie sie aus.
Ich habe meinen Beitrag vor über einer Woche aktualisiert, um anzuzeigen, dass Obergrenze oder keine Obergrenze das Ergebnis das gleiche ist. Mit einem Umfang an den Ein- und Ausgängen sowie an den Schienen gibt es keine Schwingungen. Mit Bypass-Kappen wie auf dem Datenblatt für die TC-Konfiguration angegeben, keine Änderung. Der Ausgang "sitzt" die meiste Zeit auf der Gleichtaktspannung, gleitet aber gelegentlich sanft nach unten, wo er sein sollte, nur um wieder nach oben zu gleiten. Keine Schwingung.
@akohlsmith, oh Entschuldigung. Was passiert, wenn Sie die 3,3-V-Versorgung variieren, sodass sich die Gleichtaktspannung von 1,5 V auf etwas anderes ändert? Verfolgt die Ausgabe es?
@zulu Ich habe die 3,3-V-Versorgung nicht variiert, nur weil es schwieriger ist. Das Variieren des "Vin"-Netzes (das den LDO antreibt, der 3,3 V bereitstellt) führt zu keiner Änderung der Ausgabe, was das erwartete Ergebnis ist. Ich werde versuchen, das LDO abzuziehen und zu variieren, um es zu sehen, aber ich vermute, dass die Ausgabe es verfolgen wird.
Welchen Drucksensor verwendest du? (nur um eine andere Richtung zu versuchen)
@justing Ich habe die Frage mit einem Link zum Datenblatt aktualisiert. Es ist auf Chinesisch, aber dieses spezielle Datenblatt kann in Google Translate kopiert/eingefügt werden.
Sowohl MCP6V11 als auch MCP6001 haben alternative Pinbelegungen im SOT-23-5-Gehäuse. Die versehentliche Verwendung der falschen Pinbelegung könnte (einige) der von Ihnen beschriebenen Symptome erklären. Nebenbei bemerkt ist es interessant festzustellen, dass Ihre theoretische Verstärkung (ohne Berücksichtigung des Brückenwiderstands) bei 100k- und 2k-Widerständen nicht 20 beträgt; es ist 50.
@Zulu Ich habe die Pinbelegungsunterschiede bemerkt, aber ich verwende die richtige Pinbelegung für das bestellte Teil (habe es gerade noch einmal überprüft, MCP6V11T-E / OT, ​​der Ausgang des Operationsverstärkers liegt an Pin 1). Wenn ich die Gain-Berechnung nicht durcheinander gebracht habe, liegt sie mit den angezeigten Werten tatsächlich näher bei 17. Mein Sensor hat eine Impedanz von etwa 5k, also ist die vom Operationsverstärker gesehene Impedanz der 2k-Widerstand zusätzlich zur (typischen) Ausgangsimpedanz des Sensors von 5k.

Antworten (4)

Besteht die Möglichkeit, dass entweder ein Problem mit den Anschlüssen oder der Brücke selbst vorliegt, insbesondere am (+)-Eingang?

Mein Vorschlag: Ersetzen Sie die Brücke durch 4 Widerstände (passen Sie sie an, wenn Sie möchten) und sehen Sie, was passiert.

Das sieht wirklich nach einer schlechten Verbindung irgendwo um den (+) Eingang des Operationsverstärkers aus.

Habe das gerade gemacht. vier 10k 1% Widerstände. Die Spannung an dieser Brücke beträgt 1,3 mV, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers 50 mV beträgt. Wenn ich die Widerstandsbrückenimpedanz bei 5k richtig berechne, bedeutet dies, dass 5k + 2k die Impedanz in den Operationsverstärker und 100k der Rückkopplungswiderstand für eine Verstärkung von 100k / 7k oder 14,3 ist, was nicht widerspiegelt, was ich Ich sehe, das ist eine Verstärkung von 50 mV / 1,3 mV oder 38,5.

Einen Kondensator direkt über den Eingängen des Operationsverstärkers zu haben, sieht für mich immer zweifelhaft aus. Es kann den Trend des Operationsverstärkers zum Schwingen bringen, da die Hochfrequenzrückkopplung gedämpft wird.

Wenn Sie die 1,5-V-Latch-up-Spannung mit einem DC-Voltmeter messen, sehen Sie möglicherweise einfach die durchschnittliche Spannung einer Schwingung.

Versuchen Sie, C1 vor R2 und R3 zu platzieren und sehen Sie, ob das die Sache verbessert. Besser noch (in Bezug auf die Stabilität), Sie könnten C1 über R4 platzieren, wie z. B. hier zu sehen und auch von Zeke R vorgeschlagen. Dies fungiert auch als Tiefpassfilter, aber es funktioniert, indem es die Rückkopplung bei hohen Frequenzen verstärkt, also tut es das verschlechtert nicht die Stabilität. Ein Nachteil ist, dass Rauschen an den positiven und negativen Eingängen nicht genau gleich gedämpft wird, daher gehe ich davon aus, dass Ihre Gleichtakt-Rauschunterdrückung ziemlich schlecht wäre.

Irgendwann möchten Sie wahrscheinlich zwei zusätzliche Operationsverstärker verwenden, um einen vollständigen Instrumentenverstärker herzustellen. Dadurch wird Ihre Verstärkung unabhängig vom Brückenwiderstand. Diese Schaltung ist zB hier dargestellt . Wie Sie sehen können, gehen die Brückenausgänge zu zwei verschiedenen Operationsverstärkern in dieser Schaltung, sodass das Platzieren eines Kondensators darüber keine Probleme mit Rückkopplungen verursacht. Auf diese Weise könnten Sie den Brückenausgang mit C1 so filtern, wie Sie es in der oben gezeigten Schaltung beabsichtigt haben.

Sie sagen, der Operationsverstärker schwingt nicht, aber überprüfen Sie ihn unbedingt unter identischen Bedingungen. Insbesondere wenn Sie eine kapazitive Last am Ausgang dieses Operationsverstärkers haben (z. B. ein langes Kabel), kann dies zu Schwingungen führen. Ich schalte immer 50 Ohm in Reihe mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers, um dies zu verhindern. Außerdem sind LDOs dafür bekannt, zu oszillieren, insbesondere bei zu hoher Kapazität an den Ausgängen.

Mehrere Probleme:

  1. R4 ist ziemlich groß ohne parallele Kapazität, dies gibt der Schaltung eine zusätzliche Verstärkung bei hohen Frequenzen. Es scheint kontraintuitiv zu sein, aber C1, das anscheinend so platziert ist, dass es Rauschen bereinigt, würde in R4 besser verwendet werden.
  2. Ein weiteres Problem besteht darin, eine Operationsverstärkerschaltung mit einer einzigen Versorgung über R1 auf Masse zu referenzieren. Wenn dies eine Schaltung mit zwei Versorgungsleitungen wäre, würde diese Verbindung der Verwendung der -VCC-Schiene entsprechen.

Vorschläge:

  1. Es gibt eine Referenzschaltung im MCP6V11-Gerätedokument , die genau so aussieht, wie Sie es hier tun möchten

Brückenverstärker-Referenzdesign

  1. Weitere Details zu Brückenverstärkern und sogar zu einem Single-Supply-Design finden Sie in diesen Materialien von Analog Devices .
Danke; Ich hatte das in meiner Bearbeitung von vor etwa einer Woche angesprochen; Das Hinzufügen der Kondensatoren hat nichts geändert. Der zweite Punkt, den Sie ansprechen, ist interessant, obwohl ich die in Abbildung 2 der SLOA034-App-Note von TI beschriebene Schaltung verwende und sie nichts Spezifisches über R1 erwähnen.
Chopper-stabilisierter Operationsverstärker rastet ein, billiger Operationsverstärker nicht
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v