Opamp çıkış empedansı ile ilgili garip bir durum

[ozkarah]

Aşağıda LM358 kullandığım bir devre var. İki amaç var:

1- 0-10V giriş sinyalini 0-1600 mV civarına indirmek
2- Bununla beraber 80mV civarında bir ofset eklemek

İlginç olan durum şu: R1, R2 ve R3 dirençlerini yarıya indirdiğimde giriş sinyalinin 0-40mV aralığı için körleşiyor. Aşağıda LTSpice simülasyonu var. Gerçek devre de aynen böyle davranıyor.

Şemada ve grrafikte aynı devrenin farklı direnç değerleriyle sonuçlarını görüyorsunuz. Yeşil olan 0-100mV giriş sinyali. Mavi olan düşük direnç değerleri ile olan çıkış sinyali. Gördüğünüz gibi 0-35 mV bölgesinde kör, sadece ofset var. Yeşil (aynı zamanda kırmızı) olan ise orta ve yüksek direnç değerleri ile olan sonuç. Onlarda bir sorun yok.

Çıkış mikrokonrolörün ADC girişine gideceği için mümkün olan en yüksek akımı sağlayabilmesini istiyorum (stabiliteyi arttırmak için). Bu sebeple düşük direnç kullanmaya çalıştım. Ancak bu körlükle karşılaştım.

- Sizce neden olabilir, nasıl çözülür? (ilave bir buffer kullanmadan)
- Farklı bir opamp kullanmak faydalı olacaksa hangi parametrelere dikkat etmeliyim?

 

[Mikro Step]

Vss voltajini biraz daha asagilara cekersen de sorunun duzelmesi lazim.

Sorun 0'a yakin Vss kullanman ve GND'ye cok yakin sinyalleri islemek istemenden kaynaklaniyor.

Rail to Rail opamp kullanirsan sorun azalir.

Uygulamandan dolayi hem giris hem de cikis tarafinda rail to rail ozelligi olmasi gerekiyor.

MCP6022 MCP6024 deneyebilirsin.

Fakat oncesinde Vss yi hic olmazsa -1v ile bir denemende fayda var.

 

[ozkarah]

Haklısınız. Simülastonda -0.7V seviyesinden itibaren düzeliyor. Ancak simetrik beslemem yok. LM7705 kullanıyorum. O yüzden ancak -0.23V verebiliyorum.

MCP6024 olabilirdi ancak besleme maksimum 5.5V diyor. 12V olması lazım benim senaryoda.

Peki dirençleri yükseltince düzeliyor olması sink akımı ile mi ilgili acaba?

Bu arada OPA2171 kullancaktım asıl devrede ancak onun modelini henüz LTSpice'a tanımlamadığım için testleri ve simülasyonu LM358 ile yaptım.

 

[Mikro Step]

Sagdaki negatif voltaj converter cok kucuk bir alana sigiyor. Ustelik mukemmel olmasa da regulasyon da var.
Transformator 5mm capli minik bir yuzuk.

 

[taydin]

Mükemmel bir şekilde şaseye kadar çalışan rail to rail opamp'lar var artık piyasada. Ama sende V_SS -0.23 V olduğuna göre sıradan bir RR opamp bile 0 V a inmeme sorununu çözer.

Ama opamp çıkışına bir voltaj bölücü bağlamak doğru olmaz. Bunu bağlayacağın ADC nin giriş empedansı bütün çalışma voltajı aralığında sabit olmayabilir. Ayrıca AC voltaj verilirse frekansa da bağımlıdır. Bunun dışında sıcaklık da ADC giriş empedansını değiştirir. Giriş empedansı bu faktörler nedeniyle değişince de ölçüm kalibrasyonu bozulmuş olur ve belli bir hata oluşur. opamp çıkışı doğrudan ADC ya bağlanması daha uygun olur.

 

[ozkarah]

Üstat benim için öncelik ölçümün gürültüsüzlüğü ve stabilitesi. Ölçüm doğruluğunu yazılımsal kalibrasyonla istediğim seviyeye getirebilirim. Ancak mümkün olduğunca gürültüsüz ve tutarlı ölçmek istiyorum.

Sıcaklık her durumda benzer bir etki yaratacak. Bunu belki sıcaklığa göre karakterize edip yazılımla çözebilirim.

ESP32 ADC giriş empedansı 1MOhm civarında. O yüzden etkisinin çok az olmasını bekliyorum. Zaten ilgilendiğim aralıkta çok küçük de olsa bir eğrilik var. Yazılımla kalibre etmem gerekecek.

 

[taydin]

Ofset verme işini giriş tarafında yapsan (toplayıcı ile) ve çıkışa da 100 Ω gibi düşük dirençli bir RC low pass koysan nasıl olur?

 

[ozkarah]

Problemi biraz daha inceledim. Giriş geriliminin 0-95mV aralığında opamp çıkışında negatif yönde bir akım var (kırmızı seri). Bu kör noktada -49uA civarında sabitleniyor. Doğruyu devam ettirsek -75mV seviyesine kadar düşebvilse körlük oluşmayacak gibi.

LM358 veri dökümanında çıkış negatif beslemeye 200 mV yakındayken sink akımı 50 uA diyor. Bu -49uA ile uyumlu. Sanırım bu sınıra takılıyorum.

Bunu doğrulamak için aşağıdaki grafiğe bakabiliriz. Orta büyüklükteki direnç konfigürasyonuyla baktığımı zaman 0-95mV aralığı için akım yine negatif. Ancak 0mV için -40uA seviyesine kadar bir sink akımı yeterli oluyor. Bu da 50uA değerinin altında kaldığından sorun çıkmıyor.

 

[ozkarah]

Ofset verme işini giriş tarafında yapsan (toplayıcı ile) ve çıkışa da 100 Ω gibi düşük dirençli bir RC low pass koysan nasıl olur?

İlk denediğim konfigürasyon buydu aslında. Ancak giriş kullanıcıya açık olacak. Dışarıdan 0-10V sinyal veren herhangi bir cihaz takabilecek. Burada bir gerilim bölücü olursa giriş tarafında büyük bir kısıt yaratmış olacağım. Kendisi gerilim bölücü içeren ya da yüksek empedanslı bir sinyal bağlanamayacak. Bunu çözmek için de oraya bir buffer eklemem gerekecek. Zaten bu konfigürasyonda da dirençleri biraz büyütüp işlemciden önce buffer eklersem sorun yine çözülüyor. Buffer olmadan güzel bir çözüm üretebilir miyim diye bakıyorum. Daha önemlisi, durum (dirençleri azaltınca lineerliğin bozulması) çok saçma gelmişti, bulmacayı çözmeye çalışıyorum

 

[ozkarah]

Yukarıda açıkladığım gibi sorun büyük ihtimalle LM358'in sink akımı kısıtından kaynaklanıyor. Başka opamplara baktım.
Şunu farkettim: LM358 (LM358A) opamplar güncellenerek LM358B serisi çıkmış. Bir çok açıdan daha iyi görünüyor. Sink akımı benzer koşullarda 100uA destekliyor.

Sorun sink akımından kaynaklı ise bu işimi çözebilir. Giriş ofseti de 300uV seviyesinde. Sipariş verip deneyeceğim.

 

[ozkarah]

23619 eklentisine bak

Sagdaki negatif voltaj converter cok kucuk bir alana sigiyor. Ustelik mukemmel olmasa da regulasyon da var.
Transformator 5mm capli minik bir yuzuk.

LM7705 ile kolay bir çözüm bulamazsam bunu değerlendireyim.

 

[ozkarah]

Problem çözüldü. Problemin Sink Current kaynaklı olduğu teyit edildi.

Giriş devresi şu şekilde:

Opampın ikinci kanalını bir buffer gibi kullanıyorum. LM358L, LM358B ve LM2904B problemi çözdüğünden ve çok uygun fiyatlı olduğundan (15-20 cent) ADC'den önce buffer eklemeye karar verdim. Böylece ADC'ye gidecek akımı da limitlememiş olacağız. İkinci kanal sadece buffer olarak çalıştığından İlk kanalın ve ikinci kanalın çıkışı birebir aynı.

Giriş sinyali çok düşük frekanslı olacağından gürültüyü azaltmak için çıkışlardaki RC filtrelerdeki kapasitörleri yüksek tuttum. -0.23V besleme LM7705 entegresiyle sağlanıyor. Girişe 0-100mV bir sinyal verdiğimizde çıkışın 78-94 mV arasında değişmesini bekliyoruz.

LM358P (DIP kılıf) için simulasyon sonucu şöyle:

Yeşil olan giriş, Mavi olan çıkış sinyali. Kırmızı olan ise Sink akımı.



Önce ilk mesajdaki op-amp LM358P ile olan sonuçları paylaşayım:

Yukarıda soldaki resimde pembe iz giriş sinyalini gösteriyor. Siglent SDG2042X ile 0-100 mV üçgen bir giriş sinyali üretiyorum.
Sarı olan iz ise LM358P'nin ikinci kanalının çıkışını gösteriyor. Görüldüğü gibi girşinin belli bir seviyenin (33mV) altına düştüğü bölgede çıkış daha fazla düşemeyip sabit kalıyor.
Sağ tarafta ise opamp çıkışında (şemada I_sink yazan yer) gözlenen sink akımını görüyoruz. Görüldüğü gibi -52 uA altına inemiyor. LM358 veri dökümanı da sin akımı için 50 uA demişti zaten.

Burada bir not düşelim. Akım ölçmek için multimetre ile araya girdiğimden multimetre üzerindeki şönt direnci de devredeki R4 direncine eklenmiş oluyor. Bu nedenle değerlerde simülasyona göre küçük bir sapma söz konusu (multimetrenin ölçeğini 10mA'e kadar yükseltmeme rağmen).


Yukarıdaki bilgileri daha önce problemi yazarken de anlatmıştım zaten. Şimdi Yeni sipariş ettiğim LM358L ve LM2904B entegreleri ile ortaya çıkan sonuçları paylaşacağım.

Sırada LM358L. LM358L DIP kılıfta yeni jenerasyon bir LM358 türevi. Sonuçlar şöyle:

Görüldüğü üzere 33 mV seviyesinin altında yaşanan körlük artık yok. Sink akımı da simülasyona (#8 numaralı mesajdaki simülasyona bakın) yakın bir şekilde -80uA seviyesine kadar rahatlıkla inbiliyor. Veri sayfasına göre tipik limit 100uA. Ancak yaptığım testlerde -128uA'e kadar inebildi. LM358L entegresi için giriş ofseti LM358B (300uV) ve LM2904B serilerine göre çok daha yüksek. Başka bir testte buffer konfigürasyonunda giriş ile çıkş arasında iki kanalda toplam 2 mV'a kadar çıkabildiğini gördüm.

Üçüncü testimiz LM2904B entegresiyle. SOIC8 kılıfta. LM2904B, LM358B entegresinin yüksek sıcaklığa dayanan versiyonu. Diğer özellikleri hemen hemen aynı. Aynı breadboard üzerinde aynı şartlarda test edebilmek için bir SOIC8->DIP8 dönüştürücü kullandım. Sonuçlar şöyle:

Görüldüğü gibi bu testte sonuçlar LM358L ile çok benzer. Kör bölge yok. Az önce söylediğim gibi LM2904B serisinin LM358L'ye göre giriş ofseti daha düşük (300uV) ve bu buffer olarak kullandığınızda giriş ve çıkışın çok yakın olmasını sağlıyor.


Sonuç olarak
1- Problem tahmin ettiğim gibi LM358P tarafından desteklenen sink akımının düşük olmasından kaynaklanıyor.
2- Yeni jenerasyon LM358 varyasyonlarında sink akımı daha yüksek değerlere çıkabiliyor. Bu sayede problem çözülüyor.
3- DIP kılıfta sadece LM358L bulabildim. Problemi çözüyor ancak giriş ofseti 5mv seviyesine kadar çıkabilyor. Bendeki 3mV civarındaydı. Bu yüzden çok tavsiye etmiyorum.
4- SOIC8 kılıfta LM358B ve LM2904B serisi entegreleri bulup test ettim. Bunları tavsiye ediyorum. Hem sink akımı problemi çözülmüş oldu. Hem de ofset voltajı 300uV seviyesinde. Ana giriş sinyalim 0-10V seviyesinde olacak. O yüzden benim için oldukça yeterli.
5- Eski tip bir op-amp olduğu için çıkış gürültüsünün fazla olmasından endişe ediyordum. Ancak filtrelerden sonra çıkış gürültüsü de oldukça düşük (1.2mV p2p, 100uV RMS) oldu. (devreyi breadboard üzerinde kurmama rağmen)