Designfinger Synthese von Kompensationsnetzwerken

Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer, wissenschaftlicher Geschäftsführer der IMMS gGmbH
Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer, wissenschaftlicher Geschäftsführer der IMMS gGmbH

Der »Designerfinger« ist ein neues Verfahren zur Kompensation von schnellen rückgekoppelten Verstärkern. Es werden neue, bisher unbekannte Kompensationsnetzwerke synthetisiert, die individuell an die Schaltung und den jeweiligen Lastfall angepasst sind.

Rückgekoppelte Strukturen finden sich mittlerweile in allen Bereichen der elektronischen Schaltungstechnik wieder. Die durch Rückkopplung bedingten Vorteile, wie z.B. Reduktion der nichtlinearen Verzerrungen oder Ausgleich von Prozessschwankungen, gehen immer mit einer Veränderung des dynamischen Verhaltens einher. Rückgekoppelte Systeme neigen zur Instabilität, was sich in transienten Schwingungen und Resonanzüberhöhungen im Frequenzgang bemerkbar macht.

Die schaltungstechnische Modifikation der rückgekoppelten Schaltung zur Wahrung der Stabilität und der dynamischen Eigenschaften nennt sich Kompensation. Die dafür verwendeten Verfahren basieren größtenteils immer noch auf den Arbeiten von Nyquist und Bode, d.h. auf den Ansätzen der 30er und 40er Jahre. Diese gehen davon aus, dass die rückkoppelte Schaltung aufgetrennt und die Verstärkung der offenen Schleife bestimmt werden kann. Durch die bewusste Beeinflussung der offenen Schleife kann die Stabilitätsreserve, welche z.B. durch die Phasenreserve im Bodediagramm charakterisiert wird, vergrößert und damit auch die dynamischen Eigenschaften verbessert werden. Typischerweise wird diese Beeinflussung durch das gezielte Einfügen eines neuen C- oder RC-Zweiges an ganz bestimmten Stellen in die Schaltung erreicht.

Da die klassischen Verfahren auf einer Auftrennung der Rückkopplung basieren und man genau genommen die offene Schleife modifiziert, spricht man von indirekter Kompensation. Mit der Modifikation der offenen Schleife geht inhärent eine betragsmäßige Verkleinerung des Realteils der dominanten Polstelle einher, was wiederum einer Verringerung der Bandbreite und damit der gewünschten Vergrößerung der Stabilitätsreserve entspricht. Andererseits spielt das Frequenzverhalten von integrierten Schaltungen für die Anwendung in schnellen Verstärkern, z.B. in der Optoelektronik von Blu-ray-Laufwerken, eine Schlüsselrolle. Der Einsatz rückgekoppelter Schaltungen ist hier unabdingbar. Typische Vertreter sind beispielsweise Transimpedanzverstärker von Photodetektor-ICs, welche zur Wandlung des vorverstärkten Photostroms in eine proportionale Spannung dienen. Um dennoch hohe Bandbreiten und damit hochratige Datenströme realisieren zu können, müssen neue methodische Wege beschritten werden, die durch die Nutzung der heute verfügbaren Rechner und EDA-Verfahren eine bezüglich des Frequenzgangs optimale Kompensation sicherstellen.