линейность операционного усилителя Опции

[kappafrom]

промоделировал следующую схему в LTSpice с разными операционными усилителями:






к сожалению, выбранный ОУ (AD8628) дает нелинейный выход при линейном входе в диапазоне выходного напряжения до 1В.
LM358 имеет большой температурный дрейф, но в итоге более линейный по краям измеряемого диапазона.
OPA335 более-менее, но дорогой, хотя нелинеен только до 0,4В, для решаемой задачи могу закрыть на это глаза.
модели скачаны с сайтов-производителей.

подскажите, можно ли исправить нелинейность на краях или хотя бы снизить интервал нелинейности? как она вообще получается? неправильная обвязка?

да, причем на спадающем фронте входного сигнала на выходе все линейно, а на растущем - нелинейно. очень странно.

[Tanya]

промоделировал следующую схему в LTSpice с разными операционными усилителями:

Тут не нужно ничего моделировать.... Что Вы хотите сделать-то? Усилитель сигнала термопары с аналоговой компенсацией температуры "нулевого спая"?

[kappafrom]

Тут не нужно ничего моделировать.... Что Вы хотите сделать-то? Усилитель сигнала термопары с аналоговой компенсацией температуры "нулевого спая"?

да. все уже придумано и рассчитано by Texas Instruments (slyp161) . я хочу содрать, но с более дешевым и точным операционником. но он почему-то нелинейный в модели на райзинг-фронте входного сигнала. может в обвязке можно что-то изменить, чтобы сдвинуть рабочую точку.

[Tanya]

да. все уже придумано и рассчитано. я хочу содрать, но с более дешевым и точным операционником. но он почему-то нелинейный в модели на райзинг-фронте входного сигнала. может в обвязке можно что-то изменить, чтобы сдвинуть рабочую точку.

Я бы такое сдирать не стала. Вы прежде чем моделировать в уме посчитайте уровень входного напряжения и сравните с рабочими значениями из даташита. Если Вам нужна компенсация, то сейчас модно программно делать. Тем более, что Вы собираетесь использовать дешевый ОУ без автонулирования... А типичное значение ЭДС термопары порядка десятков ( - 4) микровольт на градус.

[kappafrom]

Я бы такое сдирать не стала. Вы прежде чем моделировать в уме посчитайте уровень входного напряжения и сравните с рабочими значениями из даташита. Если Вам нужна компенсация, то сейчас модно программно делать. Тем более, что Вы собираетесь использовать дешевый ОУ без автонулирования... А типичное значение ЭДС термопары порядка десятков ( - 4) микровольт на градус.

для того, чтобы программно скомпенсировать, нужно измерить температуру, ставить еще нелинейный терморезистор или хуже того интегральную схему для этих целей по мне не лучший вариант. аналоговая добавка эдс по термо-ВАХ диода красивое решение, вопрос тут чисто в линейности конкретного операционника, OPA335 отрабатывает четко, почему в моем AD8628 нелинейность на переднем фронте - не могу понять

[ViKo]

А если не один фронт (срез) посмотреть, а десяток? Там то же будет?

[Tanya]

для того, чтобы программно скомпенсировать, нужно измерить температуру, ставить еще нелинейный терморезистор или хуже того интегральную схему для этих целей по мне не лучший вариант. аналоговая добавка эдс по термо-ВАХ диода красивое решение, вопрос тут чисто в линейности конкретного операционника, OPA335 отрабатывает четко, почему в моем AD8628 нелинейность на переднем фронте - не могу понять

А Вы не собираетесь измерять? Многие АЦП содержат внутри плохонький термометр.
Нет там нелинейности на фронте - сделайте развертку помедленнее. Не должен ОУ работать вне прописанных ему диапазонов входного и выходного напряжений.

[Plain]

интервал нелинейности? как она вообще получается?

У любого ОУ есть входной и выходной диапазон — соответственно, она получается тупо ленью непрочтения данного факта в бумажках.

[ViKo]

У любого ОУ есть входной и выходной диапазон — соответственно, она получается тупо ленью непрочтения данного факта в бумажках.

Я прочел для двух здешних претендентов, не помогло.

[MegaVolt]

почему в моем AD8628 нелинейность на переднем фронте - не могу понять

Очень похоже на Overload Recovery Time = 0.05 ms

[kappafrom]

А если не один фронт (срез) посмотреть, а десяток? Там то же будет?

то же самое

[Егоров]

Не утверждаю, но просто задам два контрольных вопроса
1. возможно, нелинейность полученная в модели - просто динамические искажения? Не знаю по другим ОУ, но LM358 фронт доли мс может заметно тянуть. Промоделируйте с медленным изменением параметров на входе.
2. наверное, однополярное питание для этого случая - не самое лучшее решение? Линейность заведомо будет лучше с двуполярным питанием.

[MegaVolt]

Если скорость нарастания уменьшить раз в 10 ступенька остаётся? А то может просто не успевает?

[kappafrom]

фронт 20В/сек, по спецификации с большим запасом, там указано 1000 В/с.


этот ОУ с однополярным питанием. да, 50 мкс и правда есть. может неадекватна моя замена термопары на такой источник питания?


замедлил фронт в 20 раз - ступенька началась на 0.25В - по длительности примерно те же 50мкс. но это какой-то костыль, если по спецификации должно работать все и с большим slew rate

c LM358 все достаточно линейно, у него есть недостатки, по которым не смогу обеспечить требуемую суммарную точность системы (смещение и дрифт уже дадут больше 1 градуса)

[MegaVolt]

А обязательно работать по выходу от рельсы до рельсы? Может сделать отступы? Хотя бы по 100мв?

[kappafrom]

А обязательно работать по выходу от рельсы до рельсы? Может сделать отступы? Хотя бы по 100мв?

можно конечно, но костыль)

[MegaVolt]

можно конечно, но костыль)

По моему норма которая была до тех пор пока не разбаловались операционниками от рельсы до рельсы.

[iliusmaster]

Думаю, что вряд ли у вас получится при однополярном питании обойтись дешевыми операционниками и обеспечит ь линейность на краях. Я бы добавил 2 питание, если уж так нужна линейность в том(до 0,7В) диапазоне.

[vladec]

Думаю, что вряд ли у вас получится при однополярном питании обойтись дешевыми операционниками и обеспечит ь линейность на краях. Я бы добавил 2 питание, если уж так нужна линейность в том(до 0,7В) диапазоне.

Действительно можно добавить по питанию маленькое отрицательное смещение 0,5 - 1 В.

[Timmy]

можно конечно, но костыль)

А как вы себе представляете работу строго до нулевого напряжения? Реально сопротивление нижнего открытого мосфета около 100 Ом, и утечка через верхний до 50мкА при 125С, отсюда минимальное гарантированное выходное напряжение 5 мВ, а чтобы получать чистый нуль, дешевле будет VSS опустить.
Модель AD8628 не любит работы в насыщении, избегайте его, и нелинейности не будет. В реальности(по даташиту) выход из насыщения до 50мкс, как выше уже отмечалось.

[prig]

Я прочел для двух здешних претендентов, не помогло.

Нормирование в том или ином виде параметра Voltage Output Swing from Rail - это как раз оно самое.
Если не находится в табличке, почти всегда приводится "картинко" с зависимостью от выходных токов.
Фактически, этот параметр характеризует зону нелинейности вблизи "рейлов".

В зависимости от типа ОУ и требований к потреблению, один из "рейлов" можно подправить, добавив доп. нагрузку к соответствующему "рейлу" на выход ОУ.
Но в общем-то, эти костыли для работы с однополярным питанием всех проблем не снимают.
Динамика на краях рабочего диапазона всё равно будет заметно хуже, если нет отступа от "рейлов". Для температурных измерений это может быть совсем не критично, но всё же.
Например, для упоминавшегося LM358 потребуется эквивалентная нагрузка к земле около 5-10 Ком и отступ около 200мВ чтобы получить THD около -80dB на 1КГц при небольших Ку.

[kappafrom]

изменил R8 на 84 Ома - все стало линейно на полную шкалу

[ViKo]

Нормирование в том или ином виде параметра Voltage Output Swing from Rail - это как раз оно самое.
Если не находится в табличке, почти всегда приводится "картинко" с зависимостью от выходных токов.

В данном случае оно не при чем. И нагрузки у ОУ почти нет никакой. А влияет именно время восстановления из перегруженного в минус по входу состояния, о котором пишет MegaVolt.

[iliusmaster]

изменил R8 на 84 Ома - все стало линейно на полную шкалу

Приподняли неинвертирующий вход повыше, теперь там 10,86мВ стало, тем самым приподняв выход от нуля (кстати смещение выхода теперь нужно бы отдельно проанализировать), про такой способ вам и писали выше.(+100мВ).
Вообще, симуляторы - это хорошо, но такую схемку на макетке смоделировать - 1 час времени, и все ясно бы вам сразу стало.

[kappafrom]

пользуясь случаем, можете, пожалуйста, подсказать качественный подстроечный резистор? чтобы не сбивался при малейшем прикосновении, можно было достать и плавно регулировать 50..200 Ом. В руках кручу СП5 - выглядит неплохо, но здоровый. ранее никогда их не использовал. большинство - однооборотные, значит можно последовательно поставить 50 Ом smd-чип и более тонкую подстройку резистором 100 Ом.

[prig]

В данном случае оно не при чем. И нагрузки у ОУ почти нет никакой. А влияет именно время восстановления из перегруженного в минус по входу состояния, о котором пишет MegaVolt.

Очень даже при чём. У ad8628 зона нелинейности очень узкая, но она есть даже для почти никаких нагрузок.
И достаточно вогнать ОУ в эту зону (считай в насыщение), что ТС и сделал, ч.б. собрать и динамические эффекты. Это классика жанра, однако.

То смещение, которое ТС добавил, сдвинуло эффекты на 13 градусов для температуры "холодного спая".
В модели пока всё стало выглядеть прилично, но на практике эффект может появиться. Дипендс он.

пользуясь случаем, можете, пожалуйста, подсказать качественный подстроечный резистор?
...

Вы собираетесь измерять температуру стрелочным вольтметром?

[iliusmaster]

1. Серия 3224 от Bourns. Миниатюрные, многооборотные сопротивления и ТКС 100ppm/C.
2. Наши СП5-3ВА. Покрупнее, многообортные , имеют ТКС 50ppm/С

[kappafrom]

Вы собираетесь измерять температуру стрелочным вольтметром?

нет

[prig]

нет

Тогда подаёте напряжение от градуировочного прибора и запоминаете смещение по нажатию кнопки. И не надо ничего крутить.

[kappafrom]

Тогда подаёте напряжение от градуировочного прибора и запоминаете смещение по нажатию кнопки. И не надо ничего крутить.

в смысле смещение программно корректировать?

[prig]

в смысле смещение программно корректировать?

Дык, это уже лет 30 как делают. Или даже более. А так же градуировку и т.д. Дешевле, проще и надёжней подстроечников.
Кроме того, можно проверить качество компенсации температуры "холодного спая" и даже компенсировать эту компенсацию (достаточно грубого значения температуры платы). Но для этого девайс надо греть.

Как вариант, можно просто измерять температуру "холодного спая" и делать программную компенсацию, что Вам уже и предлагали.
Но так как надо измерять именно температуру контактов, компенсацию с диодом обычно сделать проще, особливо для большого числа каналов.

И если Вы уж взялись работать с однополярным питанием, надо просто проследить за режимами работы ОУ при всех возможных условиях. Легко считается даже на калькуляторе.

[kappafrom]

И если Вы уж взялись работать с однополярным питанием, надо просто проследить за режимами работы ОУ при всех возможных условиях.

ага, делаю sweep температуры окружающей среды и нелинейность вырисовывается аж с выходных 1.2V

[ViKo]

Очень даже при чём. У ad8628 зона нелинейности очень узкая, но она есть даже для почти никаких нагрузок.
И достаточно вогнать ОУ в эту зону (считай в насыщение), что ТС и сделал, ч.б. собрать и динамические эффекты. Это классика жанра, однако.

Почитайте в datasheet про Overload Recovery Time. Нагрузка не при чем. Точнее, ток нагрузки.
Схема автокоррекции нуля чудит.

[kappafrom]

вот моя обновленная схема:





поскольку температурный дрейф ОУ очень мал (я это проверил), мы видим работу диода для компенсации температуры холодного спая в диапазоне температуры платы от 0 до 70 градусов с шагом 10 градусов. уменьшил коэффициент усиления, чтобы не было нелинейностей сверху и увеличил R8, убрав пересечение нуля и восстановление, которые создают нелинейности снизу. если перевести Vmax-Vmin = 3.21V-2.81V =0.4V в процент от полной шкалы для выбранной температуры (2.77V) 0.4/2.77*400градусов = 57градусов (мои 0..20mV на входе соответствуют 0..400 градусам горячего спая)

в других источниках пишут что холодный спай влияет на выходные показания в районе нескольких градусов. не понятно.

[prig]

Почитайте в datasheet про Overload Recovery Time. Нагрузка не при чем. Точнее, ток нагрузки.
Схема автокоррекции нуля чудит.

Дык, те же яйца..., только в ещё более узкой зоне глухого выхода из режима и определённым образом специфицированные во временной области.
А вообще-то, при частотах измерений температуры оно практически не критично, чего не скажешь о линейности в переходных областях на границах рабочего диапазона.
И обратите внимание, что присутствует слово "Overload". И это справедливо для "почти никакой нагрузки".

... мы видим работу диода для компенсации температуры холодного спая в диапазоне температуры платы от 0 до 70 градусов с шагом 10 градусов...

Ну вот, в результате Вы просто сдвинули напряжение выхода на достаточную величину, как Вам и советовали.
Осталось посмотреть именно линейность (КУ) на краях диапазона для реалистичной динамики (очень медленный сигнал).

[kappafrom]

меня смущает эта таблица:



по сути холодный спай добавляет пару градусов погрешности в итоговом значении температуры, а моя компенсация изменяет выходное напряжение на 15%. без нее точнее выйдет)))

или правильно. 0.4V/2.77V = 14%, а 70 градусов от 400 градусов 17,5% - тоже вроде верно.

запутался с компенсацией. help me!

[Tanya]

меня смущает эта таблица:

запутался с компенсацией. help me!

Вы бы сначала почитали принцип действия термопар. И смысл компенсации температуры второго спая.
Таблица показывает, что компенсация неплохо работает - показания мало меняются при больших изменениях температуры второго спая. Вы знаете, где он?

[kappafrom]

Вы бы сначала почитали принцип действия термопар. И смысл компенсации температуры второго спая.
Таблица показывает, что компенсация неплохо работает - показания мало меняются при больших изменениях температуры второго спая. Вы знаете, где он?

то есть это уже скомпенсированный выход? тогда все понятно. в статье просто так написали, что это выход без компенсации

[Tanya]

то есть это уже скомпенсированный выход? тогда все понятно. в статье просто так написали, что это выход без компенсации

Похоже, что Вы не ознакомились с термопарами. Без компенсации измеренная по ЭДС температура была бы примерно пропорциональна разности температур, и менялась бы на сотню градусов.
Лучше бы написали сразу, что Вы хотите измерять, и зачем.

[Plain]

c LM358 все достаточно линейно, у него есть недостатки, по которым не смогу

Есть такая сфера человеческих интересов, как искусство схемотехники, и всепланетное счастье, что уже многие десятки лет на ней существует одноимённая книга. Так вот, если её немного почитать, то она говорит, что в городе Москва данную задачу с приемлемой точностью решит имеющийся на данный момент в нём в розницу один LM358 за 5,3 руб., один 74HC4052 за 10,6 руб., пара BC847 по 0,7 руб., пара BAV99 по 0,8 руб., один конденсатор и немного резисторов 1% — на диодах делается защита, на мультиплексоре и RC-цепи — калибратор, на первом ОУ — усилитель сигналов термопары, на втором ОУ и двух NPN — измеритель температуры, т.е. всех деталей где-то на 25 руб.

Термопара подключается дифференциально относительно 10 мВ мультиплексором к неинвертирующему усилителю. Измеритель температуры на основе отношения двух токов. Калибратор посредством ШИМ микроконтроллера обнуляет смещение обоих ОУ и определяет усиление схем на них по двум точкам.

[kappafrom]

Было бы круто так все и сделать. Только со слов на схему перевести мало что смог.

на мультиплексоре и RC-цепи — калибратор

не нашел, это как? в зависимости от температуры разные цепочки подключать? что калибровать то?

на первом ОУ — усилитель сигналов термопары

это понятно

на втором ОУ и двух NPN — измеритель температуры

почему не на одном диоде? можно выбрать ток через диод и снимать температуру по падению напряжения на нем - через ОУ на вход АЦП. хотелось бы железную компенсацию холодного спая

Термопара подключается дифференциально относительно 10 мВ мультиплексором к неинвертирующему усилителю. Измеритель температуры на основе отношения двух токов. Калибратор посредством ШИМ микроконтроллера обнуляет смещение обоих ОУ и определяет усиление схем на них по двум точкам.

неинвертирующий усилитель нам нравится, потому что минус термопары у меня сидит на земле и я ничего с этим сделать не могу. поэтому кажется ТС-схема мне не подходит.
"дифференциально относительно 10 мВ мультиплексором к неинвертирующему усилителю" ?????

есть хоть примерный референс-схематик? я на слух не могу понять как это работает

книжка-то крутая, спору нет, буду впитывать.

[Plain]

Для заземлённой термопары потребуется двуполярное питание ОУ — например, инвертирующей помпой на освободившейся сборке BAV99, двух конденсаторах и выводе таймера микроконтроллера.

Как уже сказано, на первом ОУ делается обыкновенный неинвертирующий усилитель с переключаемым Ку, ко входу которого подключается выход мультиплексора. Коэффициент усиления меняется посредством подключения микроконтроллером резистора, шунтирующего резистор обратной связи — около 15 при измерении холодного спая и около 50 при измерении термопары, т.е. для максимального использования диапазона АЦП микроконтроллера.

Сигнал с термопары шунтируется на общий провод двумя диодами первой BAV99 и через 100 Ом подаётся на первый вход мультиплексора.

На второй вход мультиплексора подаётся выход измерителя температуры холодного спая, пример работы которого:



R3 и R5 переключаются выводами микроконтроллера и задают отношение токов 10:1 через датчик Q2, про принцип работы схемы можно почитать здесь.

На третий вход мультиплексора подаётся сигнал ШИМ микроконтроллера, прошедший через RC-фильтр.

Для калибровки каждого Ку по двум точкам микроконтроллер задаёт их в виде ШИМ, а после времени установления заданного напряжения на выходе фильтра измеряет результат своим АЦП. В случае наличия у АЦП ИОН, для привязки результов к нему этот же отфильтрованный ШИМ-сигнал требуется так же измерить этим АЦП в двух точках.