Operationsverstärker Die Qual der Wahl

Carmello Morello, Maxim: »Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, ist ein AFE mit niedrigem Verstärkungsfehler und Offsetfehler erforderlich. Hochpräzise Systeme werden in der Regel bei Raumtemperatur kalibriert, um Offset- und Verstärkungsfehler auszuschalten. Das AFE muss eine hervorragende Genauigkeit bezüglich der Offset- und Verstärkungsdrifts auch bei Temperaturschwankungen über einen weiten Temperaturbereich liefern.«

Anwendungen gibt es unendlich viele, Ähnliches gilt auch für Operationsverstärker. Damit stellt sich die Frage, welcher der richtige für eine Anwendung ist. Geht es um ein analoges Front-End (AFE) für Präzisionsmessungen, gibt es laut Hersteller eine ganze Reihe von Parametern, die zu beachten sind.

Ein sicherlich entscheidender Faktor für die Genauigkeit ist die Reproduzierbarkeit des Ergebnisses. Deshalb erklärt Carmelo Morello, Executive Business Manager Industrial&Healthcare, Maxim Integrated, dass bei Präzisionsmessungen die Hauptaufgabe von AFEs in der Aufbereitung von sehr kleinen Signalen besteht, bevor diese vom Analog-Digital-Umsetzer (ADC) digitalisiert werden. Morello: »Hochpräzise Messungen werden typischerweise für Systeme mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit benötigt.« Die Reproduzierbarkeit berücksichtige zufällige Messfehler. Um den Einfluss von Zufallsfehlern zu minimieren, sei es wichtig, dass das AFE das Signal mit möglichst geringem zusätzlichem Rauschen verstärkt. Deshalb sind AFEs mit einem niedrigen Eingangsrauschen ganz entscheidend für eine gute Reproduzierbarkeit. Nicht zuletzt sollte das AFE so unempfindlich wie möglich für Schwankungen in der Spannungsversorgung sein, was mit dem PSRR-Wert (Power Supply Rejection Ratio; Störspannungsunterdrückung) spezifiziert ist.

Leonhard Link, Senior Field Application Engineer bei Microchip Technology, merkt an, dass ein Entwickler den geeigneten Verstärker für Präzisionsmessungen nur dann ermitteln kann, wenn er zunächst einmal festlegt, welche Eigenschaft denn wirklich präzise sein soll. Seiner Erfahrung nach sind typischerweise drei Parameter entscheidend:

  • Offset-Spannung
  • Offset-Spannungsdrift
  • Leerlaufverstärkung

Die Offset-Spannung gibt an, ob man mit einem Offset, sprich Spannungsversatz, arbeitet. Link: »Bei sehr geringen Messspannungen, z.B. unter 5 mV, wirkt sich eine geringe Offset-Spannung von 200 µV schon mit einem 4-prozentigen Fehler aus. Muss man genauer messen, kann man entweder kalibrieren oder einen Verstärker mit beispielsweise nur 8 µV Offset nehmen.« Nur die Offset-Spannung als Anhaltspunkt reicht aber nicht aus, denn oft ist die Offset-Spannung temperaturabhängig. Link: »Ist diese Temperaturabhängigkeit stark, nützt einem auch der initial extrem geringe Offset nur wenig.« Also gilt es auch den Temperaturkoeffizienten zu beachten. Ein Beispiel für einen Baustein, der in beiden Punkten gut abschneidet, ist die MCP6V61/71/81/91-Familie mit Operationsverstärkern von Microchip, die eine Offset-Spannung von lediglich ±8 µV (Maximum) aufweisen und bei denen der Temperaturkoeffizient mit ±15 nV/K sehr gering ausfällt. Link: »Damit hat man in allen Fällen eine herausragende Qualität, die auch über den vollen Temperaturbereich bis –40 bis +125 °C gegeben ist.« Darüber hinaus garantiert Microchip für die Bausteine eine Open-Loop-Gain von mindestens 125 dB, um den Verstärkungsfehler klein zu halten.

Colin Davies, Applications Manager Europe bei Diodes, bestätigt dies und weist darauf hin, dass eine genaue Verstärkung typischerweise mit einer sehr geringen Eingangsspannung verbunden ist. Davies: Wenn es sich um eine DC-Präzisionsschaltung handelt, sind die Eingangscharakteristiken von Operationsverstärkern und Instrumentenverstärkern wichtig – besonders wenn eine hohe Verstärkung notwendig ist.« Er verdeutlicht das Problem anhand eines Beispiels: Ist das Eingangssignal nur ein paar mV groß und es wird ein Ausgangssignal von 1 V benötigt, dann stellt die Offset-Spannung am Eingang den Schlüsselparameter dar. Denn wenn eine Verstärkung von rund 500 erforderlich ist, führt ein Eingangs-Offset von, sagen wir, 10 mV zu einem Offset von 5 V. »Mit anderen Worten: in einem 5-V-System ist so ein Verstärker unbrauchbar. Also ist die Auswahl des richtigen Eingangs-Offsets kritisch«, so Davies, wobei er natürlich auch auf die Eingangs-Offset-Drift über der Temperatur verweist, was speziell in Systemen wichtig ist, die in einem weiten Temperaturbereich zum Einsatz kommen.

Ein weiterer Punkt, der die Genauigkeit beeinflusst, ist das Rauschverhalten, »denn eine präzise Messung ist nur möglich, wenn der Verstärker selber sehr rauscharm ist«, argumentiert Link ähnlich wie Morello. Denn wenn der Baustein nicht selbst rauscharm ist, geht der schöne Messwert im selbst gemachten Rauschen unter. Ebenfalls von Bedeutung ist die Ausgangstreiberstärke, die dafür sorgt, dass ein Ausgangswert nicht durch die Belastung eines ADC-Eingangs in die Knie geht. Link: »Zusammen mit der Slew-Rate sorgt der Verstärker dafür, dass auch das Einschwingen präzise und schnell erfolgt. Hier ist immer ein Trade-off der verschiedenen Parameter abzuwägen.« Oftmals ist die Schaltung auch auf irgendeine Art und Weise von EMV-Störungen betroffen. Hier kann ein integriertes EMI-Filter dafür sorgen, dass diese Störungen intern unterdrückt werden. Link: »Dieses integrierte Filter ist auch steilflankiger als die oftmals extern verwendeten RC-Kombinationen. Dadurch bleibt einem mehr nutzbare Bandbreite.«