gelöst Sallen-Key-Filter

[beldowsk]

Hallo,

wieso sieht der Frequenzgang mit R=147Ohm und C=150nF so schön aus, aber mit R=1,5kOhm und C=15nF noch nicht einmal nach einer Filterkennlinie?

Gruß Andreas

 

[RudiS]

Hallo Andreas,

Mein erster Eindruck ist, dass LTspice das Opamp-Modell nicht mag...
Schau Dir mal Deine Plots genau an!
Im ersten mit R=147R hast Du zwar eine LP-gemässe Kurve, aber der Wert der Ausgangsspannung bei 1kHz liegt bei -48dB,
entsprechend ca. 4mV, obwohl Du ein ganzes Volt (entsprechend 0dB) reingibst!
Im zweiten Plot bei gleicher Vergleichsfrequenz (1kHz) sogar nur -168dB (4nV!!)
Eigentlich müsstest Du bei 1kHz immer noch 0dB haben (Filter-fc -3dB bei ca. 4.5kHz).
Probier doch mal einen anderen Opamp, dann siehst Du, dass es nicht an den Filterwerten liegt.

RudiS

 

[RudiS]

Hier mal das Filter mit dem OP27, der obigem Opamp recht nahe kommt, nur eben nicht RRIO. . .
Man erkennt ausserdem im Plot, dass das Filter mit 1k5 vom Frequenzverlauf vorzuziehen ist, aber
das erkennt man erst, wenn man die AC-Analyse nicht bis 100kHz, sondern höher bis mindestens 10MHz macht!

RudiS

 

[RudiS]

Man sollte, wenn es Probleme mit einem Opamp gibt, auch immer - meiner Meinung nach zuerst - eine TRAN-Simulation machen.
Bei obigem Filter durchgeführt sieht man sehr schnell, dass LTspice grosse Probleme mit dem LMP7731 hat und erst mit allerlei
Hilfen für die convergence diese überhaupt zu Ende bringt, von Kurvenform und Ausgangsspannung komplett abgesehen.
Beim OP27 erfolgt die TRAN-Simulation problemlos, sowohl was Simulationszeit als auch Ausgangsspannung und Kurvenform betrifft . . .

 

[beldowsk]

Für die ersten Simulationen hatte ich den UniversalOpAmp aus der LTspice-Lib verwendet und ihm die Daten aus dem LMP7731-Datenblatte mitgegeben (Avol=10T, GBW=22Meg, Vos=600u, En=2.9n, Unk=3, In=1.1p, Rin=151Meg). Das Ergebnis ist zu schön um wahr zu sein.

Dann hab ich bei TI unter ,,Design tools & simulation" beim LMP7731 das zip-Archiv mit dem ,,LMP773x PSpice Model (Rev. D)" gefunden. Dieses Model lässt sich nach LTspice konvertieren. Die Ergebnisse der Simulation berücksichtigen nun vor allem die Grenzen für Input und Output. Ein komplexeres Modell macht für eine Simulation also durchaus Sinn. Vor allem, wenn man hinter Probleme einer realen Schaltung kommen will.

Wegen dem Vergleich mit einem anderen PMT-Adapter (von theremino.com und mit 2x BC237B statt OpAmps) will ich zunächst bei LMP7731 bleiben. Die musste ich allerdings in den USA bestellen, weil sie in D nicht zu bekommen waren. Der OpAmp-Typ sollte also demnächst geändert werden, damit der Nachbau einfacher wird. Ich hätte da auch gern einen OpAmp im DIP-Gehäuse (die DIP-Adapterplatine für den SMD-OpAmp war teurer als der OpAmp und eine Fummelei ist das allemal). Es sollte dann wohl ein "low Noise"-Typ sein der mit 5V (USB) und 6 oder 4,5V (Batterie) versorgt werden kann. Wenn es dann dazu auch noch ein kompexes LRspice-Modell gibt, das auch stabil läuft, so wäre das Ideal gefunden.

Gruß Andreas

 

[RudiS]

Meine obigen Ausführungen bedeuten natürlich nicht, dass der LMP7731 schlecht ist oder das das Filter damit nicht funktioniert, im Gegenteil. Mir ist schon klar, dass dieser Opamp generell für Dein Vorhaben gut geeignet ist.
Nur die Simulation unter LTspice denke ich ist schwierig.
TI ist der direkte Konkurrent von ADI (LT), vielleicht solltest Du auf den TI-Simulator Tina-TI umsteigen, dann könntest Du möglicherweise sogar bei Simulationsproblemen
Support von TI bekommen.

RudiS

 

[beldowsk]

Weil die Beschaffung des LMP7731 nur über die USA geklappt hat, würde ich den Schaltplan durchaus auf einen auch im Inland beschaffbaren Typ umstellen. Auch wenn der dann etwas weniger geeignet ist. Für den hätte ich dann aber schon gern ein Model, das zeitlichen Verzug und Grenzen für In- und Output berücksichtigt. Muss ich dazu alle möglichen Typen mit einem Test-Schema selbst begutachten, oder gibt es Beurteilungskriterien dazu?

Gruß Andreas

 

[RudiS]

Da ich mich auf dem Gebiet der Fotometrie gar nicht auskenne, habe ich mich meist zurückgehalten, meine Ratschläge im folgenden
sind daher eher von einem allgemeinen (elektronikbezogenen) Standpunkt aus.
Ein Vergleich der Datenblätter der in Betracht gezogenen Opamps sollte eigentlich weiterhelfen. Dazu legen wir erst einmal die Daten des
LMP7731 als Referenz fest.

LMP7731
- Input voltage noise 2.9 nV/sqrtHz
- CMRR 130 dB
- Open Loop Gain 130 dB
- GBW 22 MHz
- Slew Rate (SR) 2.4 V/us
- Vos ±9 uV
- Input Bias Current ±1 - ±12 nA

OP27
- Input voltage noise 3.0 nV/sqrtHz
- CMRR 126 dB
- Open Loop Gain ca. 125 dB
- GBW 8 MHz
- Slew Rate (SR) 2.8 V/us
- Vos 10 uV
- Input Bias Current ±10 nA

Wenn Du diese Daten vergleichst, siehst Du, dass diese beiden Opamps gar nicht sooo verschieden sind!
Einzig in der Gain Bandwidth ist ein markanter Unterschied, aber ob der bei Deinem Projekt zum tragen kommt,
kann ich nicht beurteilen. Sehen wir uns mal die (unten) beigefügte Grafik an.

Angenommen, Du brauchst eine 10fache Verstärkung entsprechend 20dB. Auf der linken Seite sind die dB-Werte gelistet,
Du gehst also von 20dB nach rechts, und wo diese Linie die Kurve schneidet, da liest Du unten die Frequenz ab:
der LMP7731 hat eine 10fache Verstärkung bis nahezu 3 MHz (geschätzt 2.8MHz), der OP27 nur bis 1 MHz.
Das Verhältnis entspricht ziemlich genau der obigen GBW: 22 MHz zu 8 MHz.

Der OP27 ist nach meinem Dafürhalten ein Opamp, den man immer gebrauchen kann. Er ist zudem relativ preiswert
(bei Reichelt für 2.70 EUR) und als DIP8 erhältlich, das erspart einem die Fummelei mit SMDs.

Jedenfalls ich an Deiner Stelle würde den OP27 probieren. Eine duale Stromversorgung sollte nicht das Hauptproblem sein,
zur Not tun es auch 2 9V-Batterien.

RudiS

 

[RudiS]

ein Model, das zeitlichen Verzug und Grenzen für In- und Output berücksichtigt

Ich bin mir nicht im Klaren darüber, was Du darunter verstehst und wie ein Modell so etwas berücksichtigen kann. . .,
habe aber mal versucht, die Zeitverzögerung (Nulldurchgang der ersten abfallenden Flanke) sowohl des OP27 wie auch des LMP7731 zu messen.
In diesem Fall ist der LMP7731 eindeutig schneller: 11ns gegenüber 86ns beim OP27 bei einer Testfrequenz von 2.3 MHz
Messdaten wie immer in der Log-Datei. [Um den OP27 zu messen: LMP-Opamp-Symbol entfernen und OP27-Symbol stattdessen einfügen.]
Jedoch gilt sowieso grundsätzlich, dass grössere GBW gleichzeitig weniger Verzögerung beinhaltet.

RudiS

P.S.: Ich habe in der Simulation die Versorgungsspannung für den LMP nicht verringert, das darf man
aber beim Breadboarding nicht machen!

 

[beldowsk]

Hallo RudiS,

zunächst vielen Dank für Deinen Einsatz.

Mit den Modellen war ich am Hadern, weil mir das Model aus UniversalOpAmp und Datenblatt-Daten doch einen sehr idealisierten OpAmp brachte, der mir das was ich am realen PMT-Adapter gesehen hatte (Probleme vor Allem an der Kuppe des Maximums des Impulses) nicht zeigen konnte (siehe meinen Beitrag vom Sonntag, 16.6.2024).

Der Zeitverzug darf niedrig oder hoch sein, ich möchte ihn nur sehen, wenn ich Input und Output vergleiche.

Ob der OP27 etwas für mich ist, muss ich erst noch klären. Möglicherweise passt die Versorgungsspannung nicht, weil ich eigentlich bei einer Versorgung durch USB oder Batterie/Akku (also V+=5 bis 6V, V-=GND) bleiben möchte.

Ein Breadboard will ich nicht nutzen. Für eine eigene Platine habe ich nicht genug Erfahrung, drum kommt eine Streifenrasterplatine zum Einsatz. Für das Design nutze ich Target3001. Anbei mal der aktuelle Stand meines Projektes.

Gruß Andreas

 

[Udo]

Die angehängten Beispiele mögen die Funktionsweise der Sallen-key-Tiefpassfilter verdeutlichen. Es gibt praktisch keine Unterschiede zwischen den gewählten Werten a) 147 Ohm/150n und b) 1,5k/15n, auch der LMP773X funktioniert.
Aber Achtung ! Die Versorgungsspannung ist entweder +/- Vb oder Vb/2 zu wählen (split supply). Die Verstärkung in der Schaltung mit Ua=INV = 1 ,also 0dB.

Mit einem weiteren Spannungsteiler lässt sich die Verstärkung einstellen.
----
Udo

 

[beldowsk]

Hallo Udo,

Dank für Deinen Einsatz. Zum Stand meines Projektes s.o.. Die 15nF-Kondensatoren sind nicht sehr üblich, ich konnte sie nur als Folien- nicht als Keramik-Kondensatoren bekommen. Wie ich inzwischen erfahren habe, war das so aber sogar richtig!

Gruß Andreas