Wie gut sind SPICE-Modelle für OPVs? Anstiegsgeschwindigkeit und Eingangs-Klemmdioden testen

Wie gut sind die SPICE-Makromodelle der Halbleiterhersteller?
Wie gut sind die SPICE-Makromodelle der Halbleiterhersteller? Teil 4.

Haben Sie je hinterfragt, ob das SPICE-Modell des gewählten Operationsverstärkers auch mit den Datenblatt-Spezifikationen übereinstimmt? Im vierten Teil geht es darum die Großsignal-Ausgangsreaktion von SPICE-Modellen zu prüfen und mit den Datenblattangaben zu vergleichen.

Als Anstiegsgeschwindigkeit wird die maximale Änderungsrate der Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers bezeichnet. Sie wird normalerweise in V/µs angegeben. Die Anstiegsgeschwindigkeit ist endlich und stellt somit eine Art von Ausgangsverzerrung oder Nichtlinearität dar.

Ein Verstärker, der die Grenze seiner Anstiegsgeschwindigkeit erreicht, verhält sich nicht mehr linear in dem Sinn, dass die Ausgangsspannung das Produkt aus Eingangsspannung und geschlossener Schleifenverstärkung ist. Stattdessen ändert sich der Ausgang des Operationsverstärkers mit einer konstanten Rate.

Dies geht so lange, bis der Operationsverstärker die Differenz an seinen Eingangsanschlüssen korrigiert und wieder in seinen linearen (Kleinsignal-) Betriebszustand zurückkehrt. Eine genauere Betrachtung zum Thema Anstiegsgeschwindigkeit finden Sie in [15].

Eine der gängigsten Möglichkeiten, einen Operationsverstärker an die Grenze seiner Anstiegsgeschwindigkeit zu bringen, besteht darin, an seinen Eingang ein Signal zu legen, das sich sprunghaft um 100 mV oder mehr ändert.

Die endliche Anstiegsgeschwindigkeit kann jedoch ebenso zum Tragen kommen, wenn am Ausgang Signale von hoher Amplitude und hoher Frequenz reproduziert werden sollen. In Audio-Anwendungen zum Beispiel führt die endliche Anstiegsgeschwindigkeit dazu, dass Sinussignale zu dreieckförmigen Signalen verzerrt werden, was im Oszillogramm zu sehen ist und sich auch als hörbare Verzerrung äußert (Bild 18).

Anstiegsgeschwindigkeit – nicht nur für Audio-Schaltungen wichtig

Nutzt ein Entwickler die SPICE-Simulation für Audio-Schaltungen, in denen große sprungförmige Änderungen des Eingangssignals vorkommen, z. B. für Multiplexer oder Schalter, rate ich dazu, das Verhalten des Operationsverstärker-Modells hinsichtlich der Anstiegsgeschwindigkeit zu verifizieren. Bild 19 zeigt die hierzu empfohlene Prüfschaltung.

In dieser Schaltung ist der Operationsverstärker als Puffer mit Eins-Verstärkung konfiguriert, und an den nicht-invertierenden Eingang wird ein Eingangssignal gelegt, das sich sprunghaft um einen großen Betrag ändert. Die Amplitude dieser Stufe sollte den Prüfbedingungen entsprechen, die im Datenblatt des jeweiligen Operationsverstärkers angegeben sind.

Als Beispiel wird der OPA196 [16] getestet werden, ein neuer e-Trim-Präzisionsverstärker von Texas Instruments, dessen Datenblatt eine sprungförmige Änderung des Eingangssignals um 10 V vorsieht (Bild 20).

Die Anstiegsgeschwindigkeit wird bestimmt, indem die Ausgangsspannung UA gemessen und die Änderungsrate zwischen 10 und 90 % der Gesamtamplitude des Sprungs ermittelt wird.

Mit den Gleichungen 1 bis 3 wird die Anstiegsgeschwindigkeit des OPA196 aus den Messwerten berechnet:

 

A n s t i e g s g e s c h w i n d i g k e i t equals fraction numerator increment U over denominator increment t end fraction space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis
A n s t i e g s g e s c h w i n d i k e i t equals fraction numerator 4 space V space minus space open parentheses negative 4 space V close parentheses over denominator 3 comma 72 space mu s space minus space 2 comma 66 space mu s end fraction space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis
A n s t i e g s g e s c h w i n d i g k e i t equals fraction numerator 8 space V over denominator 1 comma 07 space mu s end fraction equals 7 comma 5 space bevelled fraction numerator V over denominator mu s end fraction space space space space space left parenthesis 3 right parenthesis

 

Darin steht ΔU für die Spannungsdifferenz und Δt für die Zeitdifferenz zwischen 10 % und 90 % der gesamten Spannungsänderung.

Im vorliegenden Fall entspricht die simulierte Anstiegsgeschwindigkeit exakt der Datenblatt-Angabe von 7,5 V/µs. Mit einer negativen Stufe lässt sich auf gleiche Weise die Steilheit der fallenden Flanke bestimmen.

Prüfen von Verstärkern mit Klemmdioden am Eingang

Bei bestimmten Arten von Verstärkern erfordert das Prüfen der Anstiegsgeschwindigkeit eine kleine Änderung an der zuvor beschriebenen Prüfschaltung (Bild 19). Die meisten CMOS- und Chopper-Verstärker für hohe Spannungen verfügen an ihren Eingängen nämlich über Klemmdioden.

Wird ein großes, sich sprungartig änderndes Eingangssignal an einen solchen Operationsverstärker gelegt, führt die große differenzielle Eingangsspannung dazu, dass diese Dioden einen Strom direkt vom nicht-invertierenden Eingang zum invertierenden Eingang und zum Ausgang leiten.

Das Resultat ist eine verfälschte Messung der Anstiegsgeschwindigkeit mit einem Messwert, der höher ist als es der reale Schaltkreis erzielen könnte. Bild 21 veranschaulicht diesen Effekt an Hand des OPA1678 [17], ein für hohe Spannungen ausgelegter CMOS-Audioverstärker von Texas Instruments.

Dieser Effekt trat beim OPA196 nicht auf, obwohl auch er ein CMOS-Verstärker für hohe Spannungen ist. Dies liegt daran, dass der OPA196 zur Verstärkerfamilie OPA19x von TI gehört, die multiplexerfreundliche Eingänge hat.

Das Konzept der OPA19x-Familie ermöglicht den Verzicht auf eingangsseitige Klemmdioden, sodass die Verstärker auch ohne diese Bauelemente mit großen differenziellen Eingangsspannungen zurechtkommen. Auch bei Verstärkern mit JFET-Eingang, z. B. OPA145 [18], tritt dieses Phänomen nicht auf.

An OPVs mit Klemmdioden abgepasste Prüfschaltung

Um die wirkliche Anstiegsgeschwindigkeit von Verstärkern mit Klemmdioden am Eingang zu bestimmen, wird ein Widerstand zur Strombegrenzung entweder mit der Quelle am Eingang in Reihe oder zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgangsanschluss geschaltet. Bei der überwiegenden Mehrzahl der Operationsverstärker eignet sich hierfür ein Widerstand von 10 kΩ. Die modifizierte Schaltung und die Testergebnisse sind in Bild 22 und 23 dargestellt.

Mithilfe der Gleichungen 1 bis 3 kann für das SPICE-Modell des OPA1678 eine Anstiegsgeschwindigkeit von 8,9 V/µs berechnet werden, was sehr nah an der Datenblattangabe von 9 V/µs liegt.

Als Alternative zu einem großen strombegrenzenden Widerstand am Eingang lässt sich die Anstiegsgeschwindigkeit auch messen, wenn der Verstärker als invertierender Verstärker beschaltet wird. In diesem Fall begrenzen der Eingangs- und der Rückkoppelwiderstand den durch die Klemmdioden fließenden Eingangsstrom und ermöglichen somit eine exakte Messung.

 

Literatur

[15] Williams, I.: Op Amps: Slew Rate 1. Texas Instruments, Video, TI Precision Labs, März 2015. https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-slew-rate-1?cu=14685.

[16] OPAx196 36-V, Low-Power, LowOffset Voltage, Rail-to-Rail Operational Amplifier. Texas Instruments, Datenblatt, Juli 2017, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa196.pdf.

[17] OPA167xLow-DistortionAudioOperational Amplifiers, Texas Instruments, Datenblatt, Juni 2018, www.ti.com/lit/gpn/opa1678.

[18] OPA145 High-Precision, Low-Noise, Rail-to-Rail Output, 5.5-MHz JFETOperational Amplifier, Texas Instruments, Datenblatt, Juli 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa145.pdf.

[19] Trump, B.: Slew Rate—the op amp speed limit. EDN Network, 2. Juni 2013, www.edn.com/electronics-blogs/the-signal/4415482/Slew-Rate-the-op-amp-speed-limit.

[20] Williams, I,: Op Amps: Comparator Applications 4. Texas Instruments, Video, TI Precision Labs, Juni 2017, https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-comparator-applications-4?cu=14685.

[21] Green, T.: Single Op-Amp Slew Rate Limiter. Texas Instruments, TI Precision Designs: Reference Design, Dezember 2013, www.ti.com/lit/ug/tidu026/tidu026.pdf.

 

Der Autor

Ian Williams, B. Sc.

ist Applikationsingenieur und SPICE-Modellentwickler für Präzisionsverstärker bei Texas Instruments in Tucson, Arizona, USA. Er erhielt seinen Bachelor in Elektrotechnik von der Universität von Texas in Dallas.

asktexas@ti.com