Was ist der Zweck dieses Operationsverstärkers?

Der Verstärker U1 hilft dabei, die Schaltung so "ideal" wie möglich zu machen. In der pH-Zelle sind die beteiligten Impedanzen sehr hoch und alle Abweichungen von der Idealität spiegeln sich in den Ergebnissen wider.

Die "Herausforderung" wird im folgenden Abschnitt aus dem Anwendungshinweis gegeben:

• Der Ausgang des Verstärkers U1, der in einer Einheitsverstärkungskonfiguration eingerichtet ist, spannt die Referenzelektrode der pH-Elektrode mit der gleichen Spannung, 512 mV, bei niedriger Impedanz vor.

  Die pH-Messelektrode erzeugt eine Spannung, die auf dieser Vorspannung von 512 mV liegt. Tatsächlich verschiebt die Schaltung das bipolare pH-Elektrodensignal in ein unipolares Signal zur Verwendung in einem Einzelversorgungssystem.

dh jeder Fehler in dieser Spannung spiegelt sich direkt in der Ausgangsspannung als Fehler bei der pH-Messung wider.

Die Quellenimpedanz der 2 x 10 k-Widerstände in Reihe beträgt 5 K ( Reffektiv = R1 x R2 / (R1+ R2)). Wenn die Zelle dies mit einer Impedanz von 1 Megaohm laden würde, wäre die Änderung der tatsächlichen Spannung 5k // 1 M = 0,005 = 0,5%. Das Laden mit 10 Megaohm würde einen Fehler von 0,05 % usw. ergeben. Das klingt nicht viel (und ist nicht viel), aber die Empfindlichkeit der Zelle beträgt 1 mV pro pH-Wert. Also 5/1000 x 512 mV ~ = 2,5 mV oder 2,5 pH-Fehler. Und 10 Megaohm Belastung = 0,25 pH-Fehler. Sogar eine Belastung von 100 Megaohm = 0,025 pH-Fehler.

Wenn der pH-Wert sogar auf 0,1 pH-Einheiten abgelesen wird, ist ein Fehler von 0,025 pH 1/4 eines "Bits". Wenn der pH-Wert auf 0,01 Einheiten abgelesen wurde, dann 0,025 pH = 2,5 "Bits" - und das bei nur 100 Megaohm Last!

Das Reduzieren von R1 und R2 auf 1 k oder 100 Ohm würde helfen, auf Kosten einer erhöhten Stromentnahme. U1 bietet eine bessere Lösung zu akzeptablen Kosten.

Das Datenblatt des LMP7721 opamp wirbt mit seinem extrem niedrigen Eingangsruhestrom. Der Eingangsvorspannungsstrom ist der Strom, der in die Eingangsanschlüsse eines Operationsverstärkers fließt. Das ideale Opamp- Modell besagt, dass das Null ist, aber in der Praxis ist es nicht so.

In den meisten Fällen ist es kein Problem. Aber Sie haben es hier mit sehr hochohmigen Quellen zu tun. Quellen mit hoher Impedanz bedeuten, dass Sie keinen Strom aus ihnen ziehen können. Wie ich gerade sagte, zieht ein Operationsverstärker auch Strom. Warum sollte ich mich stören?

Nun, die pH-Elektrode ist wahrscheinlich sehr sehr hochohmig (ich erwarte Mega-Ohm). Die Eingangsimpedanz eines einfachen ADC eines PIC- oder AVR-Mikrocontrollers beträgt etwa 10 k. Wenn Sie sich eine Spannungsquelle, einen Widerstandsteiler von 1 M und 10 k vorstellen und den „Ausgang“ dieses Teilers mit dem echten Abtaster des ADC verbinden, welche Spannungen werden Sie Ihrer Meinung nach messen? Ich denke nicht viel..

Wenn Sie außerdem 50 nA durch einen 1-MEG-Widerstand ziehen, verursacht dies einen Spannungsabfall (Abfall) von 50 mV. Dies kann sehr bedeutsam sein.

Dieser spezielle Operationsverstärker hat eine enorme Eingangsimpedanz. Der Fehler, den dieser Operationsverstärker mit seinem Eingangsvorspannungsstrom verursacht, ist sehr, sehr klein. Der Operationsverstärker kann genügend Strom liefern, um Ihren ADC anzusteuern.

Der Widerstandsteiler der Referenz ist eine ähnliche Geschichte. 1uA Laststrom auf R1 bedeutet 10mV Abfall, was über 2% ist! Die Verwendung eines Operationsverstärkers löst dieses Problem.

Ich kenne die physikalische Konfiguration der Elektroden in Ihrem Beispiel nicht, aber die einzige Situation, in der ich einen großen Vorteil für U1 sehen könnte, wäre, wenn eine Quelle für Stromlecks in oder aus dem Stromkreis vorhanden wäre, und die meisten dieser Lecks wären konzentriert auf die Elektrode, die mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Wenn beispielsweise ein 100-K-Leckstrom von dem Signal, das jetzt mit dem Ausgang von U1 verbunden ist, gegen Masse vorhanden ist, hätte dies bei der gezeichneten Schaltung nur geringe Auswirkungen. Wenn jedoch U1 weggelassen würde, würde dieser 100-K-Leckstrom die Grundspannung von 512 mV um etwa 5 % verringern. Dies könnte zu schwerwiegenden Fehlern in den Berechnungen führen.

Wenn die physikalische Konfiguration der Elektroden so ist, dass sich die Leckage auf die rechte konzentriert, könnte die Schaltung wie gezeichnet sehr nützlich sein. Ansonsten gebe ich zu, dass ich nicht viel Sinn darin sehe.

U1 befindet sich in einer Konfiguration, die als Spannungsfolger oder Puffer bekannt ist. Es macht einfach Vout= Vin, aber mit dem Vorteil, dass es jeden aktuellen Wert liefern kann, positiv oder negativ (innerhalb von Grenzen). Dies bedeutet, dass es (innerhalb von Grenzen) eine beliebige Strommenge liefern oder aufnehmen kann.

Wenn Sie dagegen den Ausgang direkt vom Teilerknoten nehmen, ändert jeder Strom, der in ihn hinein oder aus ihm heraus fließt, sein Potenzial: Er ist nicht wie gewünscht konstant.

Eine niederohmige Referenzelektrodenversorgung ist erforderlich, damit der Spannungsabfall an der Grenzfläche Elektrode-Flüssigkeit möglichst gering ist.

Ich wollte einen Kommentar posten (zumal es eine alte Frage ist), aber es wurde zu lang.

Diese Application Note National AN-1852 (die sich jetzt bei TI befindet ) beschreibt ausführlich die Gründe für die Einbeziehung des Operationsverstärkers, um damit zu beginnen.

Es stellt der Schaltung zwei völlig unterschiedliche Dienste zur Verfügung.

Erstens stellt es dem Sensor eine niederohmige Vorspannung von 512 mV bereit, indem es den Ausgang der geteilten LM4140A-1.0-Referenz puffert. * Nebenbemerkung, warum sollten Sie sich die Mühe machen, eine Spannungsreferenz von 0,1% zu fordern, aber dann nicht angeben, dass die Widerstände auch mindestens 0,1% betragen sollten? Vielleicht bin ich von den LT-, Analog- und NatSemi-App-Notizen (besonders den älteren) verwöhnt worden. * Ohne den Operationsverstärker würde es die Ausgangswellenformen verzerren. Dasselbe passiert mit einigen Eingangsverstärkern, wenn ein nackter Spannungsteiler für seinen Referenzeingang verwendet wird. Weitere Informationen dazu, warum dies passiert, finden Sie in einigen der verschiedenen Hinweise zur Verwendung von In-Amps, wie z. B. diesem EDN-Artikel und diesem Maxim-Artikel. Zu einem späteren Zeitpunkt fragte das OP, warum man den Spannungsteiler nicht ganz weglässt. Wenn Sie dies tun, würde Ihr Sensor jetzt mit 1,024 V versorgt, was für den Sensor möglicherweise zu viel ist oder nicht. Möglicherweise müssen Sie auch die Eingangsschaltung neu entwerfen, um den Eingang innerhalb des Eingangsbereichs des Operationsverstärkers zu halten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie, wenn Sie den Operationsverstärker weglassen und nur den Spannungsteiler verwenden, einen verzerrten Sensorwert erhalten. Bitte beachten Sie, dass nahezu JEDER Operationsverstärker diesen Dienst bereitstellen kann, solange sich der Teilerausgang innerhalb seines Eingangsbereichs befindet. Es ist ein seltener Operationsverstärker, der bei Gleichstrom keine Ausgangsimpedanz im Sub-Ohm-Bereich liefern würde (wenn also eine Rückkopplung verwendet wird). Damit ist die ursprüngliche Frage beantwortet.

Zweitens bietet es einen hochohmigen Eingang mit einem sehr niedrigen Vorspannungsstrom. Während das OP feststellte, dass sein spezifischer ADC mit hochohmigen Sensoren verwendet werden könnte, ist dies nicht einmal annähernd alles, was erforderlich ist. Im Single-Ended-Modus hat es eine Eingangsimpedanz von 25 M Ohm, verglichen mit dem Ausgang des Sensors von 200 M+. Das allein würde die Ausgangsspannung um 1/8 reduzieren. Wenn Sie nun die verschiedenen Lecks berücksichtigen, die der ADC aufweisen würde, geht jede Chance auf Genauigkeit aus dem Fenster. Aus diesem Grund möchten Sie den Operationsverstärker in der Schaltung. Jeder, auch halbwegs anständige CMOS-Operationsverstärker hat eine Eingangsimpedanz von über 1 G Ohm, wenn nicht viel größer. Das bedeutet, dass Sie seine Auswirkungen auf das Signal im Allgemeinen ignorieren können. Was den Eingangsvorspannungsstrom angeht (was im Wesentlichen der Strom ist, der vom Sensor gezogen wird), sogar ein viel älterer CMOS-Operationsverstärker wie derLMC660 von 1998 (ich schummele hier irgendwie, dieser Operationsverstärker ist einer der ganz Großen in diesem Bereich) hat einen Eingangsruhestrom von nur 2-2000 fA max. Dieser ADC hat einen Eingangsverlust von +/- 1 uA, ein Betrag, der mindestens eine Million Mal schlimmer ist als der Operationsverstärker. Auch dies würde zu Verzerrungen führen.

Wohlgemerkt, um diese Statistiken voll auszunutzen, muss auf Details geachtet werden. Wie eine frühere Antwort sagte, machen auf diesen Ebenen sogar Fingerabdrücke einen Unterschied, was die Vorteile, die der Operationsverstärker mit sich bringt, manchmal um mehr als eine Größenordnung verringert. Das bedeutet Schutzringe, Isolation und mehr.

Ups, das ist viel länger geworden, als ich dachte.