Nanopower-Operationsverstärker – Teil 1 Einsatz als präzise Messverstärker: Gleichstromverstärkung

Nanopower-Operationsverstärker richtig auswählen und einsetzen
Nanopower-Operationsverstärker richtig auswählen und einsetzen

Was müssen Entwickler beachten, wenn sie präzise Messverstärker mit Nanopower-Operationsverstärkern realisieren wollen? Im ersten Teil geht es um die Gleichstromverstärkung und um Abwägungen zwischen Stromaufnahme und Leistungsfähigkeit.

Eine höhere Genauigkeit und Anstiegsgeschwindigkeit steht bei Operationsverstärkern (OPV) in direktem Zusammenhang mit ihrer Leistungsaufnahme. Wird die Stromaufnahme gesenkt, so geht auch das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt zurück. Umgekehrt sorgt ein Reduzieren der Offset-Spannung für einen Anstieg der Stromaufnahme.

Viele solcher Wechselwirkungen zwischen den elektrischen Eigenschaften eines Operationsverstärkers beeinflussen sich gegenseitig. Da Anwendungen wie beispielsweise Funksensorknoten für das Internet der Dinge (IoT) und die Gebäudeautomation zunehmend nach geringer Leistungsaufnahme verlangen, ist es entscheidend die gegenseitigen Zusammenhänge zu verstehen. Nur dann können Entwickler Schaltungen realisieren, die sich bei optimaler Leistungsfähigkeit mit der geringstmöglichen Leistungsaufnahme begnügen.

Grundlagen: Gleichstromverstärkung

Die klassischen Grundschaltungen des Operationsverstärkers sind der invertierende (Bild 1 ) und der nicht invertierende (Bild 2) Verstärker. Die Verstärkung v dieser beiden Schaltungen berechnet sich nach den Gleichungen 1 und 2.

Invertierender Verstärker:

 

v space equals space fraction numerator negative U subscript A over denominator U subscript E end fraction equals negative R subscript r over R subscript 2 space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis

 

nicht invertierender Verstärker:

 

v equals U subscript A over U subscript E equals 1 plus R subscript r over R subscript 2 space space space space space left parenthesis 2 right parenthesis

 

Darin ist Rr der Wert des Rückkopplungswiderstands und R2 der Wert des Widerstands zwischen dem negativen Eingang des Operationsverstärkers und dem Signaleingang (invertierend) bzw. der Masse (nicht invertierend).

Die beiden Gleichungen bringen zum Ausdruck, dass die Gleichstromverstärkung nicht von absoluten Widerstandswerten, sondern von Widerstandsverhältnissen bestimmt wird.

Geht es um Nanopower-Verstärkerschaltungen, so muss der Stromfluss in den Widerständen minimiert werden, um die Verlustleistung zu minimieren. Gleichung 3 verdeutlich dies:

 

P equals U cross times I equals R cross times I squared space space space space space left parenthesis 3 right parenthesis

 

Aus Gleichung 3 lässt sich ableiten, dass große Widerstandswerte zu wählen sind, die einerseits die gewünschte Verstärkung ergeben und andererseits die Verlustleistung – und damit auch die Leistungsaufnahme – minimieren. Wird die Stromstärke im Rückkopplungspfad nicht minimiert, werden die Vorteile von Nanopower-Operationsverstärkern durch die äußere Beschaltung zunichte gemacht.

Fehler realer Operationsverstärker

Sobald ein Entwickler entschieden hat, welche Widerstandswerte seinen Anforderungen in Sachen Verstärkung und Verlustleistung gerecht werden, muss er sich mit einer Reihe weiterer elektrischer Eigenschaften von Operationsverstärkern auseinandersetzen, die Einfluss auf die Genauigkeit der Signalverarbeitung haben.

Durch Aufsummieren verschiedener kleiner Fehler, mit denen nichtideale Operationsverstärker zwangsläufig behaftet sind, ergibt sich die Gesamt-Offsetspannung. Dieser kurz als Uoff bezeichnete Kennwert ist als eine endliche Spannung zwischen den Operationsverstärker-Eingängen definiert und beschreibt diese Fehler an einem definierten Punkt des Eingangsstromes (Bias).

Es ist unbedingt zu beachten, dass Uoff diese Fehler nicht über alle Betriebsbedingungen hinweg beschreibt. Hierfür muss zusätzlich der Verstärkungsfehler, der Eingangsstrom (Bias), das Spannungsrauschen, die Gleichtaktunterdrückung (CMRR – Common-Mode Rejection Ratio), die Versorgungsspannungs-Unterdrückung (PSRR – Power-Supply Rejection Ratio) und die Drift berücksichtigt werden. Auf alle diese Parameter einzugehen, würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen. Im Folgenden werden nur die wichtigsten Einflussfaktoren, die Offsetspannung Uoff und die Drift sowie deren Auswirkungen in Nanopower-Anwendungen ein genauer betrachtet werden.