Självoscillerande OP

[jesse]

Jag får erkänna att jag är ganska ovan vid OP-förstärkare. Hade kopplat en enkel krets avsedd att ge ut spänningen VCC/2 på utgången. Men i praktiken ger den ut VCC/2 + sinus400kHz 0.3 volt amplitud. En fetare konding på utgången gjorde utspänningen stabil. Men hur beräknar jag vad kondensatorn på utgången ska vara för att vara säker på att inte få självsvängning? Eller bör jag koppla på ett annat sätt?

OPn är en MC33072D från ON Semiconductors.


Kondensatorerna är 100nF keramiska.

Vad är det i databladet jag bör titta på om jag ska veta vad jag ska ha för kondensatorer? Det funkade ju med en större konding på utgången (råkade ha en 820µF liggande) , men i databladet talas det om att den vill ha max 10.000pF om den inte ska börja oscillera:

The associated high frequency low output impedance (30 ohm typ
@ 1.0 MHz) allows capacitive drive capability from 0 pF to
10,000 pF without oscillation in the unity closed loop gain
configuration. The 60° phase margin and 12 dB gain margin
as well as the general gain and phase characteristics are
virtually independent of the source/sink output swing
conditions.

Kan inte påstå att jag fattar vad det innebär

EDIT: men det kanske är så enkelt att det inte ska vara nån kondensator alls på utgången? Jag har alltid fått för mig att en kondensator skulle minska brus eller svängningar, men det verkar vara precis tvärt om?

EDIT2: plockade bort kondensatorn helt på utgången. Nu har jag istället en komplex 15+30+n+n+n MHz @ 50mV signal överlagrad på DC spänningen ut. Denna finns även på insignalen (trots 100 nF där - motstånden är på 56k) Signalen finns även på VCC. Denna vill jag gärna filtrera bort. Den tycks inte påverkas alls av om jag sätter den stora elektrolytkondensatorn på ingången. (Däremot halveras signalen om jag sätter elektrolyten på utgången.) Med den keramiska kondensatorn + elektrolyten på utgången såg jag inte någon sådan signal alls, men jag kan ju ha missat den.

[bearing]

Varifrån kommer VCC?

[jesse]

VCC kommer från en 230/12V transformator med likriktare + 7805 med kondingar, men det sitter en hel del ful elektronik mellan VCC och GND - processorer, logik.... Har försökt filtrera ut en analog VCC men tror jag fick fel induktans (enligt AVR datablad 10µH samt en 100nF konding ska filtrera bort de högsta frekvenserna, men jag har nog <1 µH, har beställt nya induktanser). Tyvärr ligger den här analoga delen i "slutändan" av en rad saker där VCC går genom kablar vidare mellan olika kretskort. Den höga frekvensen (15MHz) kommer uppenbarligen från VCC och det hade ju varit bäst att flitrera det redan på VCC, inte vid OP:ns in eller utgångar. Det konstiga att huvudprocessorn går i 19.66080 MHz och den attiny vars AD-ingång jag matar med OP:n går med intern RC-oscilator på ca 8 MHz så de där 15 MHz vet jag inte var de kommer från riktigt. Det är absolut ingen "sinus" utan snarare en ganska komplicerad våg med högsta amplituden kring 30 MHz ser det ut som, där varannan cylel är "rund" i formen och varannan cykel spetsig.

EDIT: gjorde en ny noggrannare mätning. Det är 16 MHz, nu 150mV i topparna och kommer från Attinyns RC-oscillator - signalen försvinner när jag håller ner reset. Då återstår en annan svagare störning med en spikskur som återkommer var 3:dje µS, dvs 330 KHz - det är SPI-bussen från masterprocessorn

Man kan ju undra om avkopplingskondensatorerna fungerar. Får väl montera dem under processorn i fortsättningen.

[4kTRB]

Testa med en kondensator mellan + och - ingångarna.
100nF kanske.

[Ronny]

jesse: En kommentar angående kopplingen i bilden i ditt första inlägg.
Jag förenklar och antar att VCC är ideal och att inga andra komponenter är anslutna till operationsförstärkarens
utgång förutom de som visas i bilden. Om en kondensator är ansluten på det sättet mellan utgång och GND kommer
den återkopplade signalen till den inverterande ingången att vara frekvensberoende till både amplitud och fas.
Operationsförstärkarens utgångsimpedans är inte försumbar. Antag, förenklat, att utgångsimpedansen motsvarar en ren
resistans -> du har då ett lågpassfilter (RC) som ingår i återkopplingen och beroende på hur operationsförstärkaren är
konstruerad kan villkoren för oscillation uppfyllas vid någon frekvens. Den graf som kan vara intressant att titta på i datablad
(för operationsförstärkare allmänt) är den som visar "Open-Loop Frequency and Phase Response / Bode Plot" eller motsvarande.

Här är några länkar med mer info i ämnet.

Practical Techniques to Avoid Instability Due to Capacitive Loading
OP AMPS DRIVING CAPACITIVE LOADS

[TomasL]

Dessutom brukar det finnas noteringar om hur stor kapacitans som kan tillåtas på utgången, ett tipps är att kika på kapaciteten när förstärkaren arbetar med som " emitterföljare" dvs förstärkning 1.

[jesse]

Jo, jag hade satt en konding på 100nF på utgången; då oscillerade den. När jag testade med 820µF på utgången (hade inget annat just då) blev utsignalen extremt jämn, men sen fick jag se att max kapacitans på utgången ska vara 10nF, så jag tog bort alla kondensatorer på utgången. Men jag får väl sätta dit en 10nF och testa om det blir bättre. Jag har från början en 100nF på + ingången till jord, den får sitta kvar.

Ska göra om jordplanet lite, och filtrera VCC lite bättre, får se vart det leder...

[4kTRB]

Du verkar ha mer än ett problem.
Väldigt mysko det här.

[Icecap]

Man ska faktisk ha ett litet motstånd mellan utgången och kondensatorn/återkopplingen, 22 ohm eller så. Det stoppar effektivt svängningar och utgångsimpedansen påverkas inte nämnvärd.

[jesse]

intressant... det blir att provkoppla...

en tanke är att om jag filtrerar återkopplingen så kommer OP:n att göra enorma utslag så fort + ingången varierar, eftersom återkopplingen då är fördröjd och en spänningsskillnad mellan + och - ingångarna finns kvar trots att OP:n försöker kompensera det , så att alla snabba förändringar får översläng på utgången... men så kanske det inte blir? Nu ska ju + ingången ha en stabil DC som inte ändras, men om det då ligger en liten högfrekvent störning på den så borde ju den snarare förstärkas av en sådan återkoppling med RC-filter?

(EDIT: ändrade CD till DC)

[Ronny]

jesse: Har du ens försökt läsa informationen i mina länkar?
Se den första länken och speciellt avsnittet "Out-of-the-Loop Compensation" halvvägs ned på sidan.

Sedan vet jag inte varför du överhuvudtaget väljer att sätta en kondensator direkt på op-amp'ens utgång.
Det vill man normalt undvika av skäl som jag har försökt förklara. Det finns ett flertal metoder att kompensera
kopplingen om man ändå av någon anledning måste driva något kapacitivt med en op-amp men i ditt fall är det ju en "likspänningskoppling"!

De lite mer avancerade metoderna att kompensera vid kapacitiv belastning är lämpliga att använda om man inte vill
förlora för mycket i op-amp'ens prestanda då den arbetar dynamiskt....men som sagt du kör ju enbart likspänningar
i din koppling...att du sedan får in en massa annat skräp får du hantera genom filtrering/isolation av matningsspänningarna till
de olika byggblocken i kopplingen (om du vet hur och varför de uppstår).

[4kTRB]

Mer normalt är att på utgången placera ett vanligt RC LP-filter.
Alltså först ett motstånd och sedan kondensator ner till jord.
Det dämpar en del eventuellt brus från op:n.

[Icecap]

Kolla databladet till OP296, sid 12, figure 4

[jesse]

Ronny: av någon anledning så såg jag inte ditt inlägg tidigare. Din första länk var ju perfekt, tack för den! Ska testa med denna koppling:



Jag behöver givetvis inte ha nån kondensator på utgången om jag kan filtrera den på något annat sätt. Men de är inte helt ovanligt att man vill ha en kondensator där:

situations do arise where it's desirable to decouple a dc voltage at the output of an op amp-for example,when an op amp is used to invert a reference voltage and drive a dynamic load.

(från Ronny's andra länk, ovan)

Men min "load" är inte dynamisk, den ligger på ca 38kohm och kanske några pF... så jag borde inte behöva det. Som sagt: två problem hade jag: (1) min felaktiga kapacitans på utgången som skapade en oscillator, (2) skräp på VCC...

har inte hunnit greja med detta då jag har fullt upp med annat jobb just nu, men jag återkommer när jag filtrerat VCC och testat kopplinge ovan.

[TomasL]

Jesse, OP-Ampar är i de flesta fallen synnerligen dåliga på att driva kapacitiva laster.
Du bör leta efter detta i databladet.

Ett litet seriemotstånd på utgången ökar drivförmågan radikalt.
Oftast märker man dessa problem mest i common-mode, då det kan räcka med något hundratal pf för att det skall bli instabilt.

Till exempel om en OP kopplad i common mode skall driva ett antal andra OP's, till exempel som buffer för en Vref.