Non-Inverting OpAmp Bias verhält sich nicht wie erwartet – UPDATE

Ich habe mit einem Operationsverstärker als nicht invertierendem Verstärker für einen piezoelektrischen Vibrationssensor mit 0-1 kHz gerechnet. Ich interessiere mich nur für den positiven Teil des Signals als Durchschnitt, daher die große Obergrenze für das Ausgangssignal. Mein Problem ist die Vorspannungsinjektion. Wenn das Verstärkungsnetzwerk mit Masse verbunden ist, funktioniert die Schaltung wie erwartet. Aber ich habe seitdem versucht, eine Vorspannung von 0,5 V über ein Teilernetzwerk einzuspeisen, aber ich bekomme nicht die erwartete Antwort.

Ich vermute, es ist das Teilernetzwerk, weil es in der gleichen Größenordnung wie das Verstärkungsnetzwerk liegt, aber ich habe im Moment keine größeren Werte zum Testen, also hoffe ich, dass jemand etwas Licht ins Dunkel bringen kann. Ich habe das Gefühl, dass ich etwas Offensichtliches übersehe. Die Schaltung wird von einer 3,0-V-Bankversorgung versorgt, sodass sie vertrauenswürdig ist.Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der verwendete Opamp hat einen 1,3-mV-Offset und mit einer x101-Verstärkung erwarte ich 131 mV am Ausgang ohne Eingangssignal und erhalte derzeit 129 mV, also scheint es genau zu sein, wenn ich einen stationären 7,5-mV-Wert anlege, bekomme ich 760 mV heraus wird auch erwartet. aber wenn ich die vorgespannte Spannung injiziere, bleibt der Ausgang in einem stabilen Zustand von 35 mV hängen.

BEARBEITEN* https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lmv321-n.pdf?ts=1626621566114&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fstore%252Fti%252Fen%252Fp%252Fproduct% 252F%253Fp%253DLMV321M5X%252FNOPB

Als Update habe ich dank der Kommentare von Mitgliedern einen Weg gefunden, der zu funktionieren scheint, um Bias auf einem nicht invertierenden Verstärker bereitzustellen. Der Bias kann unter der Bedingung, dass der Ausgang gepuffert ist, von der gleichen Versorgungsschiene getrieben werden. Außerdem muss das Piezo-Sensor-Negativ (falls das der richtige Begriff ist) mit der virtuellen Masse des gleichen Bias-Rückkopplungspfads und nicht mit Masse verbunden werden. Ich muss es noch auf einer realen Schaltung testen, aber die Simulation scheint genau zu seinGeben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bitte geben Sie einen Link zum Datenblatt des Herstellers für den von Ihnen verwendeten Operationsverstärker an.

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Aber ich habe seitdem versucht, eine Vorspannung von 0,5 V über ein Teilernetzwerk einzuspeisen, aber ich bekomme nicht die erwartete Antwort.

Das liegt daran, dass Sie nicht berücksichtigt haben, dass -Vin eine virtuelle Erde ist und über den Eingangswiderstand R3 mit dem Spannungsteiler (2 k und 10 k) verbunden ist. R3 erdet diesen Knoten tatsächlich teilweise zwischen 2k und 10k (der sonst 0,5 Volt erzeugen würde): -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie müssen es einkalkulieren. Vielleicht die 2.000 loswerden und die 10.000 auf 5.000 reduzieren.

Das stört dann jedoch Ihre Piezo-Verstärkungsverstärkung (wie auch in Ihrem aktuellen Schaltkreis). Daher sollte eine andere Methode gefunden werden, die Ihnen sowohl den richtigen Offset liefert als auch die Verstärkung nicht ändert.

Ich habe im Moment keine größeren Werte zum Testen, also hoffe ich, dass jemand etwas Licht ins Dunkel bringen kann.

Nein, größere Werte sind noch schlimmer. Wenn Sie etwas ausprobieren möchten, ändern Sie 2k auf 200R und 10k auf 1k. Wenn Sie mit dem kleineren Fehler leben können, ist dies eine praktikable Lösung.

Ich habe das Gefühl, dass ich etwas Offensichtliches übersehe.

Hoffentlich nicht mehr.

Danke Andi. Ich versuche das zu bestätigen, ich habe versucht, mich von den niedrigeren Werten fernzuhalten, um den Leckstrom des Spannungsteilers zu reduzieren. Möglicherweise muss ich einen anderen Weg finden, um ihnen eine Vorspannung zuzuführen.

Ein Operationsverstärker arbeitet, indem er seinen Ausgang auf eine Spannung treibt, die dafür sorgt, dass die beiden Eingänge auf fast der gleichen Spannung liegen.

Mit einer positiven Vorspannung auf der linken Seite von R3 versucht der Operationsverstärker, seinen Ausgang in Bezug auf Masse negativ zu treiben, in einem verzweifelten und erfolglosen Versuch, die Eingänge auf den gleichen Spannungspegel zu bringen.

Der Ausgang kann nicht wirklich negativ werden, da keine negative Versorgungsspannung vorhanden ist und daher an der negativen Sättigungsgrenze begrenzt wird. Ich habe mir das Datenblatt nicht angesehen, aber die negative Sättigungsgrenze liegt wahrscheinlich einige 10 mV über dem Boden, wenn die negative Versorgungsschiene des Operationsverstärkers 0 V beträgt.

Reduzieren Sie langsam den 2k-Widerstand und wenn er den optimalen Wert erreicht, sehen Sie, dass der Ausgang des Operationsverstärkers gerade anfängt zu steigen (Sättigung verlassen).

Hallo James, das ist auch mein Verständnis eines Operationsverstärkers. Ich habe auf ein Whitepaper zu diesem Thema von ocw.mit.edu/courses/media-arts-and-sciences/… verwiesen , aber dieses Dokument und die Kommentare darüber erneut gelesen klar, dass die negative Schiene fehlt. was mich zu weiteren Fragen führt. Ich möchte keine Split-Rail-Versorgung betreiben.
@ Rustie0125 Das ist ein sehr gutes Dokument, ich habe vor einigen Jahren eine Kopie davon für meine eigene Lerndatei ausgedruckt. Eine kleinere Vorspannung (weniger als 0,5 V) entfernt den größten Teil der Offsetspannung, aber (und ich habe mir das Datenblatt nicht angesehen), wenn der Operationsverstärker bei einigen 10 mV über 0 V gesättigt ist, entfernen Sie ihn nicht alles ohne negative Schiene. Auch wenn ein Eingangssignal empfangen wird und der Ausgang ansteigt, ändert es die Vorspannung leicht. Halten Sie die Werte des Vorspannungswiderstands niedrig, um dies zu minimieren, oder puffern Sie den Potentialteiler. Wenn Sie einen Puffer einfügen, benötigen Sie wahrscheinlich eine negative Schiene.
@ Rustie0125 Ein Ansatz dafür wäre, eine feste Eingangsspannung von beispielsweise 5 mV anzulegen und dann die Vorspannung anzupassen, bis die richtige Ausgangsspannung erreicht ist (Offset entfernen). Dadurch können Sie den Offset entfernen und gleichzeitig Sättigungsprobleme vermeiden, aber wenn ich mit der Sättigungsgrenze richtig liege, sind sie bei sehr niedrigen Ausgangsspannungen immer noch ein Sättigungsproblem.
@ Rustie0125 Ein Problem bei diesem Ansatz besteht darin, dass beim Ändern des Widerstands im ungepufferten Vorspannungsteiler der Thevenin-Äquivalenzwiderstand des Vorspannungsteilers geändert wird, der in Reihe mit R3 liegt, was dann die Verstärkung und die erwartete Ausgangsspannung ändert. Das Puffern des Vorspannungsteilers beseitigt dieses Problem, indem der Vorspannungsteiler von R3 isoliert wird.
Hallo James, ich habe gerade die Schaltung in der Simulationssoftware neu gezeichnet und vorgeschlagen, was Sie gesagt haben, oder zumindest mein Verständnis davon. fügte einen Pufferverstärker ein und injizierte den Ausgang in die Mitte des Verstärkungsnetzwerks. Dies funktioniert nicht wie erwartet, da der Ausgang statisch negativ wird. Wenn ich den Gnd von R3 entferne und die 0,5 V anstelle des Bodens injiziere, erhalte ich das gleiche Ergebnis.
Hallo @James Iv hat weiter untersucht, was Sie bezüglich der gepufferten Vorspannung vorgeschlagen haben, und es scheint zu funktionieren, solange die negative Seite der Quelle mit der virtuellen Masse verbunden ist (in diesem Fall die Vorspannungsschiene und nicht mit Masse 0 V, die im Wesentlichen einen Differenzverstärker bildet). lol. Ich habe das Bild oben für Feedback/Erklärung hinzugefügt. Vielen Dank für die Unterstützung
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