Sensorik Übersteuern wirksam verhindern

Ein niedriger Bias-Strom eines Sensorverstärkers ist häufig eine wichtige Kennzahl, um den Messfehler klein zu halten. In einigen Topologien kann der Eingang des Verstärkers übersteuern, was zu einem erhöhten Bias-Strom führt. Das lässt sich verhindern.

von Jon Munson, Application Engineer, und Kevin Scott, Strategic Marketing Engineer, beide bei Linear Technology.

Betrachtet man Sensorschaltungen, variiert die Art, diese anzuregen, stark: Darunter fallen ein DC-Signal, ein AC-Signal, eine Spannungsquelle, eine Stromquelle oder eine gepulste Quelle, um nur einige zu nennen. Wenn man die Anregung mit einer Stromquelle oder einem Sensor mit hoher Impedanz verwendet, ist der Bias-Strom des Verstärkers häufig eine wichtige Spezifikation, weil er durch einen externen Widerstand fließt und so unerwünschte Spannungsfehler erzeugen kann. Aus diesem Grund sind in vielen dieser Anwendungen oft Stromverstärker mit sehr niedrigem Bias nötig.

Als Beispiel diene der »LTC6268« von Linear Technology, ein 500-MHz-Verstärker mit FET-Eingang und einem typischen Bias-Strom von gerade einmal ±3 fA, bei Übertemperatur immerhin nur ±4 pA. Dieser wandelt in der Schaltung in Bild 1 einen Fotostrom in eine messbare Spannung um. Idealerweise wäre der Strom der Fotodiode (IPD) gleich dem Rückkoppelstrom (IFB) und IBIAS wäre Null, in der Praxis ist dies jedoch unrealistisch.

Sensoren, die einen Verstärker mit kleinem Bias-Strom benötigen, sind wie eben angesprochen Fotodioden, aber auch Beschleunigungsmesser, chemische Sensoren oder piezoresistive Drucksensoren sowie Hydrophone. Der Einsatz eines Verstärkers mit geringem Bias und eines Sensors mit hoher Impedanz kann Probleme ergeben, wenn der Eingang des Verstärkers übersteuert wird; dies lässt den Bias-Strom steigen. In einem solchen Fall kann der Verstärker bei einem Eingangssignal »eingeklemmt« sein, das nicht länger das Ausgangssignal herunterziehen kann, um diesen Zustand aufzuheben. Die Pufferschaltung mit einem »LTC6091«, einem anderen Verstärkerbaustein, ist ein Beispiel, bei dem dies sehr leicht auftreten kann (Bild 2). Dieser Baustein ist ein zweifacher 140-V-Präzisionsverstärker mit maximal 50 pA Bias-Strom (bei +25 °C), einem vollen Spannungshub (Rail-to-Rail) und 50 µV Eingangs-Offsetspannung. Sein Gleichtaktbereich liegt bei 3 V unter U+ beziehungsweise 3 V über U-.

Um zu verstehen, was passiert, hilft zunächst ein Blick auf die Eingangsstufe des Verstärkers (Bild 3). Die Eingangsstufe besteht aus den Anschlüssen +INA und -INA, den Gates des differenziellen n-MOSFET-Paares der ersten Stufe des Verstärkers. Wenn der Ausgang wegen des übersteuerten Eingangs in die Sättigung übergeht, muss ein Bias-Strom durch das Eingangsschutznetzwerk fließen. Dieser zieht den Eingang ausreichend herunter, sodass der Baustein wieder aus der Sättigung kommt. Die Quelle mit hoher Impedanz ist jedoch nicht in der Lage, genug Bias-Strom dafür zu liefern. Und ist der Eingang erst einmal übersteuert und der Ausgang in Sättigung, kann der -INA-Eingang hochgezogen werden, sodass er nun den Gleichtaktspannungsbereich überschreitet. In dieser Situation kann das differentielle Transistorpaar abschalten, sodass der Ausgang in einen unbestimmten Zustand geht. Wenn dieser unbestimmte Zustand dazu führt, dass der Ausgang in Sättigung bleibt, dann ist zusätzlicher Bias-Strom nötig, um den normalen Betrieb wiederherzustellen.

Bild 4 zeigt eine einfache Lösung für das Problem für einen Instrumentenverstärker, die eine Konfiguration mit drei Verstärkerstufen nutzt. Der »LTC6090« ist die Einkanalversion des Zweikanal-Baustein LTC6091, und der »LT5400-2« ist ein vierfach abgeglichenes Widerstandsnetzwerk mit ±75 V Betriebsbereich, vier 100-kΩ-Widerständen und einem Matching von unter 0,01%.

Zwei 10-kΩ-Widerstände sind hinzugefügt, um den Ausgangshub im schlimmsten Fall (Worst Case) zu begrenzen und zu verhindern, dass die Rückkoppelspannung jemals den Eingangsgleichtaktbereich des Verstärkers übersteigt. Empirische Tests haben gezeigt, dass es über einem Quellwiderstand von 20 MΩ keinen adäquaten Bias-Strom mehr geben kann, um einen »eingeklemmten« +INA-Eingang zu »befreien«. Bei geringerem Quellwiderstand ist es möglich, den +INA-Eingang nach dem Eintreten einer Übersteuerung gegen den Leckstrom der Schutzschaltung herunterzuziehen, der überwunden werden muss (z.B. die Eingangsquelle mit hoher Impedanz behält die Kontrolle).