Frage zum Ausgangswiderstand von OPV´s

[Thegon]

Hallo allerseits,

ich habe da einmal eine Frage zur Open-Loop-Output-Resistance von Operationsverstärkern. Das heißt also der Widerstand am Ausgang, wenn der OPV nicht gegengekoppelt ist. In diversen Scripten etc. steht über diesen Wert ja dass er im Bereich weniger Ohm bis einige 100 Ohm liegen kann. Im Datenblatt des LM324 habe ich diese Angabe nicht gefunden, aber in Datenblätter andrer OPV´s z.B. den Wert 13 Ohm.

Ich habe mal was ausprobiert:
Ein LM324 in (positiver) Sättigung, d.h. zwischen den Eingängen hab ich so 1V oder so angelegt, Versorgungsspannung +- 15V, und die Leerlaufspannung am Ausgang gemessen. Dann habe ich an den Ausgang verschiedene Lastwiderstände (680R, 1k etc.) angeschlossen und die Spannung am Lastwiderstand gemessen (alles mit Multimeter).

Ich habe dann auch andere Betriebsspannungen probiert, z.B. +- 7V, wieder Leerlaufspannung und Lastspannung gemessen, bei verschiedenen Lastwiderständen.

Nun kann man ja aus U_Last, U_Leerlauf und R_Last auf den Ausgangswiderstand des OPV´s rückrechnen, das habe ich in den verschiedenen Fällen gemacht, das Problem nur:

Ich erhalte sehr unterschiedliche Werte:
kleinster gemessener Ausgangswiderstand war ca. 16 Ohm,
größter so ca. 50 Ohm, je nach dem was für ein Lastwiderstand bei welcher Betriebsspannung.

Das hat mich etwas verwundert, ich hatte erwartet (zumal dieser Wert in manchen Datenblättern angegeben wird), dass R_a ziemlich konstant bleibt.
Deshalb meine Frage: Kann das stimmen was ich da gemessen habe? Wie lässt sich das erklären?

Danke für eure Hilfe!

EDIT:
Dazusagen muss ich noch, dass ich schon darauf geachtet habe, dass in keinem Falle ein Laststrom größer 20mA fließt, klar, sonst geht der OPV irgenwann in Strombegrenzung.
Also Leerlaufspannung/20mA = minimaler Lastwiderstand

Grüße
Thegon

[Peter(TOO)]

Hallo Tegon,

Deine Werte können schon stimmen.
Allerdings ist deine Messmethode Fragwürdig.
Die meisten älteren OPVs haben keine Rail to Rail Ausgänge.
Sprich, der Ausgang kommt teilweise nur so auf 3V an die Ausgangsspannung ran und zudem ist der Ausgangswiderstand in diesen Bereichen nicht mehr linear.

http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM324.pdf

Schau dir mal die, vereinfachte, Innenschaltung an!
Da erkennst du, dass die Ausgangsstufe nicht einmal symmetrisch aufgebaut ist.

Ganz deutlich wird das an den Kennlinien in Figure 10 und 11.
Je nachdem welche Richtung der Strom am Ausgang hat, sieht das sehr unterschiedlich aus. Man sieht auch in Figure 11, den Einfluss der Versorgungsspannung
Welchen Widerstand soll da der Hersteller angeben?

MfG Peter(TOO)

[ihle]

Hallo Tegon,

deine gemessenen Werte sind deshalb unterschiedlich, weil es sich beim Ausgangswiderstand
genauso wie beim Eingangswiderstand um Impedanzen handelt.
Man spricht im allgemeinen von der der Eingangsimpedanz und der Ausgangsimpedanz.
Nehmen wir deine Messung mit den Lastwiderständen z.B. 680 Ohm
du hast einen UB von +- 15 V,nehmen wir an wird sind im positiven bereich,
dann haben wir 15V- UCEsat/680 Ohm und somit einen Strom der sehr nahe an den
max. Wert herankommt, somit ist dein Ausgangswiderstand geringer.
Der Ausgangswiderstand des OPs ist eigentlich nur der differentiale Widerstand der
Transistorendstufen.
Aber es ist für den Lerneffekt hervorragend solche Versuche durchzuführen.


mfg ihle

[Manf]

Am Anschlag sollte man nicht messen, wurde schon gesagt.
Ich würde von einem gegengekoppelten Verstärker ausgehen und einen offenen Verstärker am Eingang parallel schalten. Der offene Verstärker sollte dann so kompensiert werden, dass er die gleiche Ausgangsspannung hat. Man hat dann immer noch eine Drift über der Temperatur aber mit einem Lastwechsel am Ausgang im 100ms Bereich sollte sich der Widerstand (für den jeweiligen Arbeitspunkt) abschätzen lassen.

[PICture]

Hallo!

Am einfachsten lässt sich es damit erklären, dass Ausgangstufen von OPVs nicht als Konstantstromquellen ausgelegt sind.

[Thegon]

Also erst mal danke euch allen für die rege Beteilitung!

@Peter(TO0):
Nur zum Verständnis: in beiden Grafiken ist auf der Y-Achse die Ausgangsspannung, auf der X - Achse der Ausgangsstrom in mA aufgetragen. d.h. der Ausgangswiderstand an einem Arbeitspunkt theortisch die Tangente an diesem Punkt. Praktisch (also einzeichnen) geht aber nicht, weil es ist ja ein logarithmischer Maßstab dargestellt.
Habe ich das so richtig verstanden?

@ihle:


deine gemessenen Werte sind deshalb unterschiedlich, weil es sich beim Ausgangswiderstand
genauso wie beim Eingangswiderstand um Impedanzen handelt.
Man spricht im allgemeinen von der der Eingangsimpedanz und der Ausgangsimpedanz.
Wie ist das Wort Impedanz hier gemeint? Ich hätte beim Wort Impedanz gesagt, dass es sich um eine komplexe Größe handelt, also ein reeller (ohmscher) Teil und ein imaginärer (kapazitiv oder induktiv).
Ich habe mir dann allerdings gedacht, eventuelle kapazitive Beläge sollten bei meiner Messung keinen Einfluss haben, weil ich ja alles mit Gleichstrom gemessen habe.

dann haben wir 15V- UCEsat/680 Ohm und somit einen Strom der sehr nahe an den
max. Wert herankommt, somit ist dein Ausgangswiderstand geringer.
Der Ausgangswiderstand des OPs ist eigentlich nur der differentiale Widerstand der
Transistorendstufen.
Das heißt also, dass der Ausgangswiderstand abhängig vom Arbeitspunkt ist , in dem ich den OPV betreibe (d.h. nur differentiell angegeben werden kann), und da ist die Sättigung halt grade ein ungünstiger Arbeitspunkt, oder?

@Manf:
So eine Messung werde ich mal ausprobieren. Das heißt also Offset kompensieren und Eingangsspannung soweit abschwächen, dass der Verstärker auch im Leerlauf nicht übersteuert. Im Prinzip kann ich die Messung auch wieder in DC durchführen, oder verstehe ich das falsch?
Und was mir noch nicht klar ist, wozu brauche ich den zweiten, gegengekoppelten Verstärker?

@PICture:

Hallo!

Am einfachsten lässt sich es damit erklären, dass Ausgangstufen von OPVs nicht als Konstantstromquellen ausgelegt sind.

Wie ist das zu verstehen? Ich betreibe den OPV ja garnicht in Strombegrenzung, ist er dann nicht eher als Spannungsquelle anzusehen?

Danke nochmal für eure Mithilfe!

Grüße
Thegon

[ihle]

ihle


Das heißt also, dass der Ausgangswiderstand abhängig vom Arbeitspunkt ist , in dem ich den OPV betreibe (d.h. nur differentiell angegeben werden kann), und da ist die Sättigung halt grade ein ungünstiger Arbeitspunkt, oder?

Genau!

mfg ihle

[PICture]

Ausgangsstufen von OPVs sind weder ideale Konstantspannungsquellen noch ideale Konstantstromquellen, sondern reale aus vorherigen Stufen aktive spannungsgesteuerte Spannungsquellen mit Innenwiderständen. Jeder kann es anders nach eigener Vorstellung verstehen. ;)

[Besserwessi]

Der Ausgangswiderstand ist für den nicht gesättigten Fall interessant. Den für die Messung zu realisieren ist gar nicht so einfach und braucht schon noch so eine Art feinfühligen Abgleich. Bei einer Leerlaufverstärkung von etwa 10^5 und vielleicht 10 V Spannungshub am Ausgang kommt es da auf 100 µV am
Eingang an. Die Messung geht dann eher mit einem NF Wechselstrom der auf den Ausgang eingeprägt wird, und einem langsamen Druchfahren der Eingangsspannung (von Hand mit einer sehr kleinen sehr niederfrequenten Wechselspannung).

Der Ausgangswiderstand ist auch vom Arbeitspunkt (Spannung und Strom ) abhängig. So wirklich wichtig ist der Parameter auch eher nicht und wird deshalb nicht in jedem Datenblatt angegeben.

[Manf]

Man könnte einen Verstärker mit offener Verstärkung von 10^5 auf eine Ausgangsspannung einstellen, wenn sein Offset konstant bleibt.
Schwieriger wird es in der Realität, wenn der Arbeitspunkt thermisch wegläuft.

Man kann dafür einen zweiten OP auf dem gleichen Chip auf den gesuchten Ausgangswert einstellen, den aber mit Gegenkopplung.
Er hat so hoffentlich in erster Näherung die gleiche Temperatur und die gleiche Drift, er kompensiert aber seine Abweichungen.

Dem zu messenden Verstärker gibt man dann die gleiche Eingangsspannung plus die nötige Differenz damit er auch die gewünschte Ausgangsspannung hat.
Sie bleibt dann etwas besser stabil.

Den Ausgang des zu messenden Verstärkers belastet man dann mit einem Wechselsignal, ich würde ein Rechtecksignal mit etwa 10Hz nehmen (quasi-statisch).
Ich bin mir nicht sicher, ob der Aufwand mit der Kompensation in der Form nötig ist.

[Besserwessi]

Bei den meisten OPs ist der Aufbau so, dass die Drift möglichst kleine, im Idealfall 0 ist. Da kann man selbst bei 2 OPs auf einem Chip nicht davon ausgehen das die Offsetdrift gleich groß ist, oder auch nur das gleiche Vorzeichen hat. Der Versuch die Offset drift durch einen 2. OP zu kompensieren kann bei einigen Exemplaren helfen, oder auch nicht. Die Typische Drift von vielleicht 1-10 µV/K ist auch nicht so hoch, dass es nicht für eine Messung reicht - einmal Abgleichen muss man sowieso.

[Thegon]

Also ich habe vorhin versucht, den offet "per Hand", also mittels zwei Potis (grob, fein) abzugleichen. Das hat nicht wirklich funktioniert, ich hatte zwar die nötige Einstellgenauigkeit (halt sehr hochomig auf sehr niederohmig geteilt), aber die Ausgangsspannung hatte große Wechselanteile drauf (50Hz). Auch sonst war alles sehr instabil, wenn man irgendein Kabel berührt hat, war man gleich wieder in Sättigung.

Ich habe mir eine kleine Schaltung überlegt (so in etwa wie ihr es beschrieben habt):
26979
Soll sozusagen eine Gegenkopplung sein nur für sehr niedrige Frequenzen, für Wechselspannugen stellt der 10µF - Kondensator einen Kurzschluss dar -> Wechselstromverstärkung = Leerlaufverstärkung, so der Plan.
Da ich keinen zweiten FG habe für das Rechteck am Ausgang, muss ich halt einen NE555 nehmen.
Alle Werte sind erst einmal nach Bauchgefühl dimensioniert, villeicht muss ich noch was ändern.
Könnte das so klappen bzw. was würdet ihr anders machen?

Grüße Thegon

[Besserwessi]

Die Schaltung kann sehr leicht schwingen ! Das RC Glied in der Rückkopplung verursacht ein unschöne Phasenverschiebung - zusammen mit den 90 Grad vond er Internen Kompensation (ab etwa 100 Hz) sind schwingungen da zumindest nicht mehr sicher ausgeschlossen. Hilfreich wäre ein Teiler (etwa 10 K und 100 Ohm) vor dem 1 M Widerstand. Das macht die Schaltung allerdings auch deutlich langsamer - ggf. unpraktisch langsam.

Gegen 50 Hz / 100 Hz Störungen hilft nur eine gute Abschirmung, da hilft auch die Schaltung kaum.