Ein Kompromiss mit Vorteilen Operationsverstärker mit komplementären Eingangsstufen

Was müssen Entwickler beim Einsatz von Operationsverstärkern mit »Rail-to-Rail«-Eingängen beachten?
Was müssen Entwickler beim Einsatz von Operationsverstärkern mit »Rail-to-Rail«-Eingängen beachten?

Die Definition der Bezeichnung »Rail-to-Rail« zur Charakterisierung von Eingangsstufen hat sich seit der Erfindung des Operationsverstärkers verändert. Was aber sagt der Begriff »Rail-to-Rail« aus, und worauf sollten Schaltungsentwickler bei solchen Operationsverstärkern achten?

Operationsverstärker (OPV), die in den 1970er-Jahren entwickelt wurden, arbeiteten meist mit symmetrischen Versorgungsspannungen, z.B. ±15 V und massebezogenen Signalen. Fortschritte brachten OPVs hervor, die mit einer unipolaren Versorgungsspannung auskommen und deren Eingänge im Gleichtaktbetrieb die negative Versorgungsspannung einschließen, sodass auf eine bipolare Versorgungsspannung verzichtet werden konnte. Inzwischen, Jahrzehnte später also, benötigen viele Schaltungen deutlich niedrigere Versorgungsspannungen von beispielsweise 5 V oder 3,3 V. Die kleinere Versorgungsspannung erfordert in der Regel Gleichtaktspannungen, die sich sowohl auf die negative als auch auf die positive Versorgungsschiene erstrecken, sie werden als OPV mit Rail-to-Rail-Eingang bezeichnet.

Entwicklungsingenieure meinen häufig, dass OPVs mit Rail-to-Rail-Eingang einen linearen Eingangsbereich haben, dass sich also der eingangsseitige Gleichtaktbereich bis an die beiden Versorgungsspannungen – oder sogar etwas über diese hinaus – erstreckt, ohne dass sich die Spezifikationen ändern. Leider trifft diese Annahme jedoch nicht immer zu.

Beim Betrieb mit Gleichtaktspannungen in der Nähe der positiven Versorgungsspannung legen Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Eingängen oftmals schlechtere Spezifikationen an den Tag, z.B. Offsetspannung, Rauschen oder Bandbreite. Außerdem gibt es OPVs, die zwar nicht als Rail-to-Rail-OPV gelten, aber dennoch – wenn auch mit Abstrichen an den Spezifikationen – mit höheren Gleichtaktspannungen am Eingang eingesetzt werden können.

Traditionelle OPV-Eingangsstufe mit PNP-Transistoren

Bild 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild einer traditionellen, mit PNP-Transistoren bestückten Eingangsstufe. Bei Eingangsstufen dieser Art schließt der Gleichtaktspannungsbereich meist –UB mit ein, reicht aber nur bis auf 1 V oder 2 V an +UB heran. Als solche Bauelemente erstmals eingeführt wurden, bezeichnete man sie als Operationsverstärker für eine unipolare Versorgungsspannung, weil ihr eingangsseitiger Gleichtaktspannungsbereich –UB einschloss. Entwickler konnten deshalb den –UB-Anschluss mit Masse verbinden und dennoch massebezogene Eingangssignale verarbeiten.

Die sogenannte Phasenumkehr ist ein Problem, das bei Verstärkern mit dieser Architektur im Verbund mit JFETs und einigen BiFETs häufig auftrat. Das Phänomen tritt auf, wenn die Gleichtaktspannung am Eingang den linearen Arbeitsbereich des Verstärkereingangs überschreitet, der nicht unbedingt größer als der Versorgungsspannungsbereich ist. Verlässt die Gleichtaktspannung den linearen Arbeitsbereich, erhält einer der Transistoren in der Eingangsstufe nicht mehr die richtige Vorspannung und verursacht damit eine Inversion der Ausgangsspannung.

Bild 2 gibt die Eingangs- und Ausgangsspannung eines Verstärkers wieder, bei dem es zu einer Phasenumkehr kommt. Die Inversion der Ausgangsspannung ist deutlich zu sehen, sobald die Gleichtaktspannung am Eingang die Gleichtaktspannungsgrenzen des Bausteins überschreitet.

Eine Technik zur Eindämmung dieses Problems besteht darin, den OPV als invertierenden Verstärker zu beschalten, damit sich die Gleichtaktspannung nicht mit der Eingangsspannung ändert. Ebenfalls häufig angewandt wird ein anderes Verfahren, bei dem ein Widerstand in Reihe zum Eingang geschaltet wird, um den Strom zu begrenzen, und Schottky-Dioden zwischen den Eingang und die Versorgungsspannungen geschaltet werden.

Diese Begrenzerschaltung sorgt dafür, dass die Eingangsspannung nicht um mehr als die Dioden-Schwellenspannung über die Versorgungsspannungen hinausreicht. Diese Technik ist jedoch nicht unbedingt effektiv bei OPVs, deren Gleichtaktspannungsbereich deutlich kleiner und innerhalb des von den Versorgungsspannungen definierten Bereichs ist. Außerdem sind dafür externe Bauelemente erforderlich, die zusätzlich Platz auf der Leiterplatte benötigen und zusätzliche Kosten verursachen.

Komplementäre Eingangsstufe gegen Phasenumkehr

Die Phasenumkehr bei Verstärkern lässt sich intern vermeiden, indem die Eingangsstufe des Verstärkers mit einem Paar komplementärer Transistoren bestückt wird. Hierbei werden zwei PMOS- und zwei NMOS-FETs für die differenziellen Eingänge eingesetzt, wie das vereinfachte Schaltbild in Bild 3 zeigt. Von der traditionellen Eingangsstufe unterscheidet sich diese Schaltung durch das zusätzliche NMOS-FET-Paar.

Bild 4 gibt ein Diagramm aus einem Datenblatt eines modernen OPVs mit komplementärer Eingangsstufe wieder, bei dem es zu keiner Phasenumkehr kommt.