Differenzielle Operationsverstärker Auch für unsymmetrische Anwendungen

Moderne schnelle Operationsverstärker verfügen meist über differenzielle Ein- und Ausgänge, um den vollen Signalhub des Ausgangs wieder zu verstärken und damit zu maximieren. Da viele Low-Voltage-Applikationen jedoch unsymmetrisch sind, stellen sich die Fragen: Wie kann man einen differenziellen I/O-Verstärker in einer unsymmetrischen Anwendung einsetzen? Welche Auswirkungen hat ein solcher Einsatz?

Konventionelle Operationsverstärker (OPVs) haben zwei differenzielle Eingänge und einen Ausgang. Nominal liegt die Verstärkung bei unendlich, in der Realität wird sie aber durch die Rückkopplung des Ausgangs auf den negativen, invertierenden Eingang bestimmt. Der Ausgang geht damit nicht auf unendlich, der differenzielle Eingang wird aber auf null gezogen (gewissermaßen geteilt durch unendlich). Der hohe Nutzen, die große Vielfalt und die elegante Anwendung, die konventionelle OPV-Applikationen bieten, sind allgemein bekannt, erscheinen jedoch immer noch schier unerschöpflich. Voll differenzielle Operationsverstärker sind hingegen weniger gut erforscht.

Bild 1 zeigt einen solchen differenziellen OPV, in diesem Fall den »LTC6406« von Linear Technology, mit vier Rückkoppelwiderständen. Hierbei ist die Verstärkung nominal immer noch unendlich und die Eingänge werden durch die Rückkopplung zusammengehalten. Dies ist aber ungeeignet, um die Ausgangsspannungen festzulegen, weil die Gleichtakt-Ausgangsspannung (common mode output voltage) auf einem beliebigen Pegel liegen kann und trotzdem noch in einer differenziellen Null-Eingangsspannung resultieren kann, da die Rückkopplung symmetrisch ist. Deshalb gibt es für jeden voll differenziellen Operationsverstärker immer noch eine zusätzliche Steuerspannung, um die Gleichtakt-Ausgangsspannung festzulegen. Dies ist die Aufgabe des VOCM-Pins und erklärt, warum voll differenzielle Verstärker immer mindestens fünf Anschlüsse besitzen (die Versorgungsanschlüsse nicht mit eingeschlossen) und nicht mit nur vier Pins auskommen. Die Gleichung der differenziellen Verstärkung ist: VOUT(DM) = VIN(DM) x R2/R1. Die Gleichtaktspannung am Ausgang wird intern auf die Spannung gezwungen, die an VOCM anliegt. Eine weitere Erkenntnis ist, dass es nicht länger nur mehr einen einzigen invertierenden Eingang gibt: Beide Eingänge sind invertierend oder nicht invertierend, abhängig davon, welcher Ausgang betrachtet wird. Um die Schaltung analysieren zu können, sind die Eingänge in konventioneller Manier mit »+« und »-« gekennzeichnet und ein Ausgang erhält einen Punkt, was ihn als den invertierenden Ausgang in Bezug auf den »+«-Eingang kenntlich macht.

Jeder, der mit konventionellen Operationsverstärkern vertraut ist, weiß, dass nichtinvertierende Applikationen am  nichtinvertierenden Eingang eine inhärente, hohe Eingangsimpedanz haben, die einige Gigaohm oder gar Teraohm erreichen kann. Im Falle des voll differenziellen Operationsverstärkers in Bild 1 gibt es aber eine Rückkopplung zu beiden Eingängen, sodass die Eingangsimpedanz nicht derart hoch ist. Dieses Problem lässt sich jedoch leicht lösen.

Schaltungsbeispiele

Bild 2 zeigt den LTC6406 als unsymmetrischen OPV beschaltet. Nur einer der Ausgänge ist rückgekoppelt, und auch nur einer der Eingänge erhält diese Rückkopplung. Der andere Eingang hat nun eine hohe Impedanz. Zudem hat der Baustein immer noch einen differenziellen Ausgang. Diese Schaltung ist stabil und hat einen Eingang mit hoher Impedanz wie ein konventioneller OPV. Der rückgekoppelte Ausgang (in diesem Fall VOUT+) ist rauscharm. Der Ausgang wird am besten unsymmetrisch vom rückgekoppelten Ausgang abgenommen, was eine 3-dB-Bandbreite von 1,2 GHz ergibt. Ein einfaches Gedankenexperiment enthüllt jedoch einen der Nachteile dieser Konfiguration. Man stelle sich vor, alle Ein- und Ausgänge, einschließlich VOCM, liegen auf 1,2 V. Nun stelle man sich weiter vor, dass der VOCM-Pin zusätzlich um 0,1 V höher getrieben wird. Der einzige Ausgang, der sich bewegen kann ist VOUT-, weil VOUT+ gleich mit VIN bleiben muss. Deshalb muss der Verstärker, um den Gleichtaktausgang um 100 mV höher treiben zu können, den VOUT--Ausgang um insgesamt 200 mV höher treiben. Das ergibt einen differenziellen Ausgangshub um 200 mV auf Grund der Erhöhung um 100 mV an VOCM. Dies illustriert die Tatsache, dass eine unsymmetrische Rückkopplung an einem voll differenziellen Verstärker eine Verstärkung des Rauschens vom VOCM-Pin zum »offenen« Ausgang um Faktor Zwei hervorruft.

Um dieses Rauschen zu verhindern, benutzt man diesen Ausgang einfach nicht, was in einer völlig unsymmetrischen Applikation resultiert. Oder man nimmt den Nachteil des leicht erhöhten Rauschens in Kauf und kann beide Ausgänge benutzen. Der rückgekoppelte  Ausgang (VOUT-) eignet sich gut bis ungefähr 300 MHz, darüber hat er eine signifikante Welligkeit im Passband.