Operationsverstärker für multiple Sensoreingänge Sensorsignale richtig verstärken

Operationsverstärker (OPVs) gehören zu den am weitesten verbreiteten elektronischen Schaltungen. Für Low-End-Applikationen sind die Anforderungen meist unkompliziert und gut definiert, und der Auswahlprozess ist recht einfach. Für High-End-Einsätze hingegen ist die Auswahl optimaler Präzisions-OPVs oftmals eine echte Herausforderung, wenn es um die Implementierung von Systemdesigns mit multiplen Sensoreingängen geht. Einige Beispiele sollen da helfen.

Wenn die vorgesehenen Sensortypen oder die Anwendungsumgebungen spezifisch hohe Anforderungen stellen, kann es durchaus schwierig sein, den geeigneten Operationsverstärker zu finden. Zuvorderst muss der Entwickler die Genauigkeit und die Performance des Bauteils beachten. Darunter fallen Aspekte wie niedriges Rauschen, geringe Drift, Rail-to-Rail-Ein-/Ausgangspegel, thermische Stabilität und verlässliche Wiederholgenauigkeit für konsistente Performance über Tausende von Messvorgängen hinweg - wenn es sein muss, auch unter harschen Betriebsbedingungen.

Gleichzeitig ist in den meisten Anwendungen, besonders aber bei batteriebetriebenen Geräten, eine gute Balance zwischen Leistungsverbrauch, Baugröße, Zahl der Bauteile und den Gesamtkosten zu erzielen. Besonders Chopper-stabilisierte Operationsverstärker bieten oft exzellente Lösungen für extrem niedrige Werte bezüglich Offsetspannung und Drift über Zeit und Temperatur.

Chopper-OPVs erreichen hohe DC-Präzision durch einen kontinuierlich operierenden Kalibriermechanismus, der auf dem Chip implementiert ist. Natürlich gibt es dafür kein einfaches »Ein für alle Fälle«-Bauteil. Doch die folgenden Beispiele sollen zeigen, wie die richtige OPV-Auswahl kritische Applikationsziele unterstützt.

Waagen und Drucksensoren

Wägeeinrichtungen und Drucksensoren verwenden meist einen hoch sensitiven, analogen Frontend-Sensor, etwa einen Dehnungsmessstreifen, der äußerst genaue Messungen ausführt, dabei aber nur sehr niedrige Ausgangssignale liefert. Für hoch präzise Wägeapplikationen können Systemdesigner eine Brückenschaltung einsetzen, die einzelne Operationsverstärker paarweise mit Verstärkungswiderstand verwendet.

Diese blenden die Gleichtaktspannung aus und realisieren Genauigkeiten zwischen 10 ppm und 20 ppm. Solche fortschrittlichen Designs benötigen sehr leistungsfähige Operationsverstärker, um sehr kleine Signale bei relativ hohen Eingangsspannungen auszuwerten. Um diese kleinen Messsignale erfolgreich zu verstärken, muss der OPV einen extrem niedrigen Offset der Eingangsspannung bieten, außerdem eine minimale Drift der Offset-Temperatur.

Gleichzeitig müssen die Verstärkungsbandbreite und der Ein-/Ausgangshub (eventuell Rail to Rail) groß sein. Bei kleinen Eingangssignalen ist der volle Rail-to-Rail-Eingangsbereich natürlich nicht erforderlich) Kritisch für den gewählten Operationsverstärker ist auch eine sehr stabile Charakteristik mit ultraniedrigem Frequenzrauschen bei nahezu DC-Betrieb, also zwischen 0,1 Hz und 10 Hz.

Bei Sensoranwendungen mit Brückenschaltung für hoch präzise Waagen sollten die Entwickler Ausschau nach einem Zero-Drift-OPV halten, der einen sehr niedrigen Offset im Eingang und geringes Rauschen ohne 1/f-Charakteristik bis 1 mHz bietet. Wie aus Bild 1 hervorgeht, bietet der Chopper-stabilisierte Zero-DriftBaustein »ISL28134« von Intersil eine Rauschspannung im Frequenzbereich 10 Hz bis herab zu 0,1 Hz im Nanovoltbereich.

Damit bietet er ein ausgesprochen flaches Rauschband bis zum DC-Level. Unter Nutzung seines naturgemäß stabilen, Chopper-basierten De-signs ist der OPV mit einer maximalen Rauschverstärkung von 10 ppm spezifiziert und soll damit optimale Performance für Applikationen mit hoher Verstärkung bei minimalem Rauschverstärkungsfehler bietet.

Für tragbare Wäge-Applikationen, in denen niedrige Verlustleistung ebenfalls wichtig ist, können die Entwickler auch den »ISL28133« einsetzen. Er kombiniert eine maximale Stromaufnahme von 25 µA mit einem Spannungs-Offset von höchstens 6 µV mit Chopper-stabilisiertem Designprinzip. Das ergibt ein flaches Rauschband bis herab zu DC, außerdem nahezu keine Drift. Für Applikationen mit Dehnmessstreifen, die eine höhere Referenzspannung benötigen, etwa 10 V statt 5 V, sollte man auch den »ISL28217« oder »ISL28227« in Erwägung ziehen.

Strommessung

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Methoden, um Ströme zu messen - je nach den spezifischen Anforderungen der betreffenden Applikation. Darunter fallen Strommesswiderstände (Shunts), Hall-Effekt-Sensoren und Stromtransformatoren. Im folgenden Beispiel betrachten wir die Anforderungen an Operationsverstärker zum Einsatz mit Shunts etwas genauer.

Diese Technik ist sehr genau, kostengünstig und über einen weiten Anforderungsbereich und unterschiedliche Einsatzszenarien generell anwendbar. Grundsätzlich nutzt diese Methode einen Widerstand im Pfad der zu messenden Stromversorgung. Der Spannungsabfall verursacht naturgemäß Verluste. Deshalb ist es wünschenswert, immer den kleinsten möglichen Widerstandwert zu wählen. Daher muss die Strommessapplikation einen relativ geringen differenziellen Leistungsabfall am Widerstand hoch verstärken. Aus diesem Grund muss die Schaltung des Operationsverstärkers für einen großen Gleichtaktbereich ausgelegt sein, außerdem für hohe Genauigkeit.

Niedrige Stromaufnahme ist ebenfalls eine wichtige Bedingung, besonders für die Strommessung in batterieversorgten Applikationen. Eingebettete Schaltungen zur Strommessung müssen zudem oft recht preisgünstig sein, damit sie nicht signifikant zu den Materialkosten (BOM) des Produkts beitragen, das sie überwachen sollen.

Darüber hinaus muss der gewählte Operationsverstärker in vielen Applikationen im industriellen, kommerziellen und Consumerbereich die Drift des Messwerts zwischen extremen Temperaturen und in ausgedehnten Zeiträumen minimieren können. Viele Shunt-basierte Strommessapplikationen werden mit OPVs wie dem ISL28133 oder ISL28233 bestückt.

Beide sind Chopper-basierte Bauteile mit Zero-Drift. Sie verbinden niedrigen Leistungsverbrauch mit hoher Genauigkeit - und das in einem 1,6 mm x 1,6 mm großen μTDFN-Gehäuse. Außerdem bieten sie als Chopper-stabilisierte CMOS-Schaltungen, wie in Bild 2 dargelegt, eine geringe Drift über extreme Temperaturbereiche und ausgedehnte Zeiträume.

Tragbarer Sicherheitsmonitor für Umweltgifte

Ein letztes Anwendungsbeispiel vereinigt eine Anzahl unterschiedlich ausgelegter Sensoreingänge innerhalb eines Geräts. Es belegt, wie gutes OPV-Design das effiziente Handling einer Multi-Sensor-Messanordnung innerhalb eines kompakten tragbaren Geräts unterstützt. Tragbare Geräte zur Überwachung von gefahrenbehafteten Umgebungen werden in zunehmendem Maße mit multiplen Sensoren ausgestattet.

Das soll den Formfaktor minimieren und die Messmöglichkeiten maximieren. Ein derartiges Gerät könnte etwa einen Sensor für brennbare Gase, einen für Sauerstoff und einen Wärmetönungssensor (Catalytic Heat Bead) bündeln. Aus dem Blockdiagramm geht hervor, dass der Einsatz mehrerer Operationsverstärker mit ultraniedrigem Leistungsverbrauch, etwa des »ISL28194«, für die Multi-Sensor-Messung in einem kompakten tragbaren Gerät erhebliche Vorteile bietet.

Da diese sicherheitsrelevanten Geräte meist im Dauerbetrieb arbeiten, soll der Baustein mit seiner Stromaufnahme von maximal 450 nA und 2 nA im Leerlauf eine verlängerte Batteriestandzeit ohne Kompromisse in der Performance ermöglichen. Der ISL28194 ist für einfache Stromversorgung zwischen 1,8 V und 5,5 V ausgelegt. Das prädestiniert ihn für Handheld-Geräte mit Stromversorgung über zwei 1,5-V-Alkaline-Batterien.

Außerdem können die multiplen Signalpfade des OPVs einen einfachen A/D-Wandler, zum Beispiel den »ISL26132«, ansteuern. Das minimiert die Systemkomplexität und die Zahl der eingesetzten Bauteile. Da Sensoren für brennbare Gase und Sauerstoff sowie für Wärmemessungen typisch bis zu zehn Sekunden für eine stabile Messwertanzeige benötigen, ist die Bandbreite der eingesetzten Operationsverstärker weniger kritisch.

Allerdings bedingen sie eine konstante Vorspannung des Messfühlers. Außerdem haben die Ausgangssignale der Sensoren, wie in den vorstehenden Beispielen erläutert, sehr niedrige Pegel. Deshalb muss der Verstärker sowohl ein geringes Rauschen haben als auch eine kleine Drift über einen großen Verstärkungsbereich.

Über die Autorin:

Tamara Schmitz ist Senior Principal Applications Engineer und Global Technical Training Coordinator bei Intersil.