Schaltungstechnik für Sensoren Diskrete Verstärker optimieren

Sensorschaltungen benötigen oft spezielle Operationsverstärker mit hoher Eingangsimpedanz, niedrigem Rauschen und minimaler Offsetspannung. Dies mit diskreten Bauteilen zu realisieren, ist nicht trivial. Eine Alternative besteht aus nur vier diskreten Bauteilen.

Rauscharme Verstärker für Fotodioden, piezoelektrische Sensoren und andere messtechnische Anwendungen verlangen normalerweise Schaltungsparameter wie extrem hohe Eingangsimpedanz, niedriges 1/f-Rauschen (rosa Rauschen) oder Ruheströme (Bias Currents) im Bereich von unter einem Picoampere. Leider ist dies mit den verfügbaren integrierten Produkten nicht zu erreichen. Welche Anforderungen und Herausforderungen begegnen Entwicklern bei der Entwicklung eines rauscharmen Verstärkers mit diskreten Bauteilen? Wie lässt sich das Eingangsrauschen minimieren und der Abgleich der Offsetspannung realisieren?

Ein typischer diskreter Verstärker wie in Bild 1 nutzt einen schnellen Operationsverstärker (OPV) mit einer davorgeschalteten differenziellen Verstärkerstufe, implementiert mit zwei angepassten JFETs (J1 und J2). Diese sorgen für eine hohe Eingangsimpedanz und eine gewisse Anfangsverstärkung. Das Systemrauschen wird durch die Eingangsstufe dominiert. Ein rauscharmer OPV ist daher nicht nötig. Den Ausgang bei niedrigen Verstärkungen und hohen Frequenzen stabil zu bekommen, ist jedoch eine Herausforderung. Dies lässt sich mit einem Kompensationsnetzwerk aus CC und RC erreichen (Bild 1). Doch die optimalen Werte für diese Bauteile ändern sich mit der Verstärkung, was die Entwicklung erschwert. Auch kann das Großsignalverhalten für einige Anwendungen zu langsam sein.

Die Schaltung in Bild 2 kann ohne Kompensation ein vergleichbares Rauschen bei einer Verstärkung von 1 (Unity Gain) erzielen.

Die Geschwindigkeit bestimmt sich primär durch den Operationsverstärker. Die Gesamtschaltung besteht aus drei Hauptbereichen: Ausgangs-OPV, FET-Eingangspuffer und Stromquellen, welche die FETs vorspannen (Bias). Diese Unity-Gain-Konfiguration der Eingangsstufe stellt hohe Anforderungen an das Rauschverhalten des OPVs.

In der Schaltung in Bild 1 haben die Eingangs-FETs eine endliche Verstärkung, welche die Rauschauswirkungen der folgenden Stufe reduziert. In der Unity-Gain-Konfiguration teilt sich das Gesamtrauschen zwischen den Eingangspuffern und dem Operationsverstärker auf, sodass ein rauscharmer Typ erforderlich ist.