4 Verbesserungen

Erstellt: DL6GL, 21.01.2015, letzte Änderung 

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Operationsverstärker im Gleichspannungsbetrieb sind eine Sache für sich.  In den Datenblättern sind Daten angegeben, die im realen Betrieb zutreffen können oder auch nicht. Zusammen mit Norbert, DG1KPN, wurden nachfolgende Verbesserungsmöglichkeiten gefunden.

4.1  Output Voltage Swing

Die verwendeten Allerwelts-OpAmps TL081 und TL082 sind natürlich keine Rail-to-Rail-Typen. Das Datenblatt von Texas Instruments gibt für eine Versorgungsspannung von +/-15V erreichbare Ausgangsspannungen an:

• RL ≥ 10k: minimal +/- 12V
• RL ≥   2k: minimal +/- 10V, maximal +/- 12V.

Um die gewünschten Ausgangsspannungen von bis zu +/- 10V zu erreichen, wurde deshalb statt der +/-12V des Originals +/- 15V als Versorgungsspannung gewählt. Um ganz sicher zu gehen, wäre es empfehlenswert, im Netzteil statt der +/- 15V-Festspannungsregler, die ihrerseits beträchtlich in der Ausgangsspannung streuen, einstellbare Regler wie den LM317 (für +15V) und den LM337 (für -15V) zu verwenden. Deren Regelverhalten ist deutlich besser als das der Standardtypen 78xx bzw. 79xx. Falls es mit der Aussteuerbarkeit auf +/-10V eng werden sollte, wäre dann eine Einstellung auf z.B. +/- 15,5V möglich. Die beiden 600mA-Sicherungen erzeugen auch Spannungsabfälle von ca. 100mV. Die unstabilisierte Eingangsspannung von ca. 24V bietet genügend Reserve.

Eine Adaption des Netzteils mit den LM317/LM337 ist im Download auf der Titelseite in "curve_tracer_Rev2.zip" zu finden. Das Layout der Controllerplatine dort ist das aus "curve_tracer_Rev1.zip", siehe Abschnitt 4.2. Die Anpassung der Ausgangsspannungen erfolgt aus Platzgründen mit Festwiderständen. Berechnung nachfolgend.

Abb. 4.1: Einstellung der Netzteil-Ausgangsspannung.

Für R2 sind im Platinenlayout zwei Widerstände zur besseren Anpassung vorgesehen.
Mit R2 = 2.200 + 470 = 2.670Ω wird eine Ausgangsspannung von 15,16V erreicht.
Parallel zu R2 sollte noch ein Elko, ca. 10µF, zugefügt werden.

Alternative zu einer etwas "steiferen" Spannungsversorgung wären Rail-to-Rail-OpAmps. Wie in der Kalibrierungsanleitung, Abschnitt 8, im Download erwähnt, erreicht die Leistungsendstufe für negative Kollektor/Drainspannungen nicht die volle Stromstärke. Ein Ersatz des TL081 (IC4) durch einen AD820 könnte Abhilfe schaffen. Möglicherweise reicht das aus, den BD204 (PNP) in der Endstufe besser auszusteuern. Dessen Stromverstärkung ist in allen verfügbaren Exemplaren deutlich geringer als die des BD203 (NPN).

Wie in Abb. 1.3 gezeigt, verhält sich die Leistungsendstufe mit einer steifen +/-15V-Versorgung aus einem Labornetzteil jedoch mustergültig. Die Alternative aus Abb. 4.1 ist also die näher liegende. Wird wohl bei Gelegenheit ausprobiert.

4.2  Input Offset Voltage

Jeder OpAmp hat einen Eingangsoffset aufgrund interner Unsymmetrien. Mal mehr, mal weniger. In der Folge erzeugt der OpAmp am Ausgang auch bei identischem Potenzial am nicht invertierenden und am invertierenden Eingang eine mehr oder weniger hohe Ausgangsspannung. Ein idealer OpAmp würde bei Null-symmetrischer Versorgungsspannung Null Volt am Ausgang zeigen. Im Datenblatt der TL081 / TL082 ist für die Bedingungen wie oben für den Eingangsoffset  angegeben:

• minimal 3mV, maximal 6mV.

Kritische Auswirkungen des Eingangsoffsets können an IC6 im ADC-Verstärker für den Emitter/Sourcestrom (Abb. 1.6) eintreten, wenn zufällig ein TL081 mit hohem Eingangsoffset verbaut wurde. Dieser OpAmp multipliziert den Offset mit seiner Verstärkung von ca. 10. Der ADC im PIC misst dann eine Spannung am Emitter/Source-Widerstand R70, die eigentlich gar nicht vorhanden ist. Da die beiden anderen ADC-Messzweige keine Zusatzverstärkung aufweisen, macht sich der Eingangsoffset hier nicht störend bemerkbar.

Zum Glück haben wir es hier mit einem Einfach-OpAmp zu tun, der im Gegensatz zu den TL082 mit den Pins 1 und 5 Anschlüsse für eine Offsetkorrektur bietet. Im Download auf der Titelseite sind die Erweiterungen in "curve_tracer_Rev1.zip" zu finden. Zugefügt wurde ein Mehrgangtrimmer 100k (P9), gleiche Bauform 64Y, für eine Offsetkorrektur an IC6. Die Controllerplatine ist entsprechend erweitert.

Mit P9 wird bei offenem Eingang, Buchse "Emitter/Source", die Spannung an Pin2 des PIC (ADC RA0, siehe Abb. 1.6) auf Null Volt eingestellt. Hierfür ist auf der Controllerplatine Rev1 ein Messpunkt vorgesehen.

4.3  OpAmp im Kollektor/Drain-Endverstärker

Bis auf die oben in 4.1 diskutierte Schwäche des IC4 in Abb. 1.5 arbeitet der eingesetzte TL081 zufriedenstellend. Bei einem Ersatz durch einen Rail-to-Rail-Typ ist Bedacht in Bezug auf die Verstärkungsbandbreite angesagt. Norbert, DG1KPN, hat einen gerade vorhandenen LT1028 genommen, der stattliche 50MHz auf die Waage bringt. Ist der hier also besser als der TL081 mit nur 3MHz? Nein! Er zauberte folgende Eingangskennlinie eines MOSFET BSN10A, der im 50MHz-Kalibrator seinen Dienst verrichten sollte, auf den Bildschirm.

Abb. 4.2: Verstörende Eingangskennlinie eines tatsächlich intakten MOSFET BSN10A.

Ein glatter exponentieller Anstieg wäre zu erwarten. Transistor defekt? Diesmal nicht. Dreckeffekt durch den schnellen LT1028  für IC4. Abhilfe schaffte hier ein Ferritröhrchen auf der Zuleitung zum Basis/Gate-Anschluss, wie es zur Verdrosselung von USB-Kabeln verwendet wird. Wahlweise auch eine auszuprobierende Anzahl kleiner Ferrit-Dämpfungsperlen. Abgesehen davon, dass z.B. ein AD820 auch preigünstiger wäre, ist hier eine kleinere Verstärkungsbandbreite, beim AD820 1,8MHz, von Vorteil. Mein Kennlinienschreiber mit einem TL081 attestierte dem BSN10A volle Gesundheit mit einer glatten Kennlinie.

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