Rauscharme Operationsverstärker
CMOS-OPVs für präzise Sensorik
Auch die Digitalisierung braucht Operationsverstärker, z. B. um analoge Sensorsignale zu verstärken. CMOS-OPVs bieten die Chance, sie zusammen mit der Logik zu integrieren. Allerdings stellen Sensoranwendungen hohe Anforderungen – z. B. sehr niedriges Rauschen.
Zahlreiche IoT-Innovationen der vergangenen Jahre basieren auf immer mehr Sensoren. Sie erweitern in einer Vielzahl von Anwendungen den Funktionsumfang sollen eine eine fortschrittlichere Steuerung erreichen – von Mobilgeräten und Fahrzeugen bis hin zu industriellen Anlagen und medizinischen Geräten. Dadurch soll eine Gesellschaft entstehen, die durch Billionen von Sensoren verbunden sein wird.
Ein Sensor ist ein Gerät, das Umwelt- und physikalische Veränderungen in elektrische Signale wandelt. Sie werden meist mit Operationsverstärkern verschaltet, um das Signal am Ausgang des Sensors zu verstärken. Soll die Leistungsfähigkeit sensorgestützter Anwendungen verbessert werden, müssen Operationsverstärker mit höherer Genauigkeit genutzt werden.
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Zum Beispiel verstärkt ein rauscharmer Operationsverstärker bei Entfernungsmessungen wie Sonar die Signale der reflektierten Wellen. Im Vergleich zu herkömmlichen Operationsverstärkern ist bei rauscharmen OPVs der Messbereich bis zum reflektierenden Gegenstand größer. Denn bei herkömmlichen Operationsverstärkern gehen kleine Sensorsignale im Rauschen unter, rauscharme Operationsverstärker haben einen geringeren Rauschpegel, der es ermöglicht, auch kleinere Signale zu verstärken (Bild 1).
Wie reflektierte Sonarwellen sind Sensorausgangssignale oft winzige Analogsignale, die rauscharme Operationsverstärker benötigen, um fehlerfrei verstärkt zu werden. Die steigende Nutzung von Sensoren dürfte somit die Nachfrage nach rauscharmen CMOS-Operationsverstärkern wie dem LMR1802G-LB von Rohm erhöhen. Er erreicht mit einer von Rohm entwickelten Technik sehr rauscharme Eigenschaften. Zu den Hauptmerkmalen des LMR1802G-LB gehören:
- Extrem rauscharmes Verhalten (auf den Eingang bezogene Rauschspannungsdichte), weit besser als bei konventionellen Operationsverstärkern.
- Geringeres Rauschen, sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen: 7,8 nV/√Hz bei 10 Hz, 2,9 nV/√Hz bei 1 kHz.
- Niedriger Eingangsstrom (0,5 pA) und niedrige Offsetspannung (max. ±450 µV)
- Ein Phasenrand von 68 ° und eine hohe kapazitive Lasttoleranz minimieren unerwünschte Oszillation.
Rauschklassifikation für Operationsverstärker
Es gibt verschiedene Arten von Rauschen. Eine Art ist das Störrauschen, das elektromagnetische Wellen von außerhalb des IC und Funkwellen (HF-Rauschen) von elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen umfasst. Diese elektromagnetischen Wellen können in die Signal- und/oder Versorgungsleitungen eingekoppelt werden und Schwankungen im Ausgang oder Fehlfunktionen verursachen.
Es gibt EMI-Gegenmaßnahmen (EMI – Elektromagnetische Interferenz), die verhindern, dass elektromagnetische Störungen durch elektronische Geräte erzeugt werden (Emission), sowie EMS-Gegenmaßnahmen (EMS – Elektromagnetische Störfestigkeit), die verhindern, dass elektromagnetische Wellen sich störend auswirken können (Immunität). Die von Rohm im letzten Jahr vorgestellten Operationsverstärker der Serie BA8290xYxx-C zeichnen sich durch eine hohe Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen aus.
Eine andere Art von Rauschen ist farbiges Rauschen, das vom Operationsverstärker selbst erzeugt wird und von den Transistoren und Widerständen stammt, aus denen sich das IC zusammensetzt (Bild 2). Farbiges Rauschen umfasst frequenzabhängiges Rauschen, das als rosa Rauschen – auch 1/f-Rauschen oder Flickerrauschen – bezeichnet wird, und gleichmäßig über das gesamte Frequenzband verteiltes Rauschen, das weißes Rauschen – auch thermisches Rauschen – genannt wird. Diese beiden Arten von Rauschen werden in der Spezifikation für die auf den Eingang bezogene Rauschspannungsdichte wiedergegeben.
Für Analogschaltungen, die Signale mit hoher Präzision verarbeiten müssen, ist es notwendig, die Auswirkungen von Störrauschen zu minimieren und zusätzlich auch das im Operationsverstärker selbst erzeugte Rauschen (auf den Eingang bezogene Rauschspannungsdichte) so weit wie möglich zu reduzieren.
- CMOS-OPVs für präzise Sensorik
- Optimierte Transistoren für geringes Rauschen
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