Rauscharme Operationsverstärker
CMOS-OPVs für präzise Sensorik
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Optimierte Transistoren für geringes Rauschen
Im Juli 2018 stellte Rohm den CMOS-Operationsverstärker LMR1802G-LB vor. Er basiert auf einer proprietären analogen Schaltungstechnik, die mit Rohms Halbleiterfertigungsprozess integriert wurde. Das Ergebnis ist ein Operationsverstärker mit dem besten Rauschverhalten der Branche, was ihn ideal für industrielle Anwendungen und Sensorsysteme macht.
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Um das Rauschverhalten (auf den Eingang bezogene Rauschspannungsdichte) verbessern zu können, ist es notwendig, den Teil der Operationsverstärkerschaltung zu identifizieren, in dem das Rauschen auftritt. Nach einer gründlichen Überprüfung des Halbleiterfertigungsprozesses wurde ein hinsichtlich seines Rauschverhaltens optimierter Transistor entwickelt.
Darüber hinaus konnte mit einer Schaltungskonfiguration, die die Rauschunterdrückung maximiert, ein sehr rauscharmer Betrieb erreicht werden (Bild 3). Bei 10 Hz und 1 kHz, den Standardfrequenzen für Rauschkennwerte, wie die auf den Eingang bezogene Rauschspannungsdichte, reduzieren die neuen Operationsverstärker von Rohm das Rauschen im Vergleich zu herkömmlichen rauscharmen OPVs:
- um ein Drittel bei 10 Hz – 7,8 nV/√Hz gegenüber 11 – 20 nV/√Hz und
- um die Hälfte bei 1 kHz – 2,9 nV/√Hz gegenüber 4 – 7,5 nV/√Hz (Bild 4).
Eingangsoffsetspannung und Eingangsstrom minimieren
Wenn der Strom, der in den Eingang eines Operationsverstärkers fließt, wie bei herkömmlichen rauscharmen bipolaren OPVs groß ist, kann das durch den Stromfluss erzeugte Stromrauschen problematisch werden. Dieses Stromrauschen wird durch den Widerstand der Signalquelle in eine Rauschspannung umgewandelt. Je größer der Widerstand der Signalquelle, desto größer sind die Auswirkungen des Stromrauschens.
Bei einem großen Signalquellenwiderstand kann dieses Stromrauschen größer werden als das Verstärkerrauschen – die auf den Eingang bezogene Rauschspannung – und das Verhalten des Verstärkers dominieren. Da bei CMOS-Operationsverstärkern der Eingangsstrom extrem klein ist (0,5 pA) und das erzeugte Stromrauschen in der Größenordnung von fA/√Hz liegt, sind die Auswirkungen des Signalquellenwiderstandes beim LMR1802G-LB vernachlässigbar.
Mehr Einfluss hat die Eingangsoffsetspannung, da diese eine Art Operationsverstärker-Gleichspannungsfehler darstellt. Die Offsetspannung wird zusammen mit dem Signal verstärkt und damit zu einer Fehlerquelle für die Ausgangsspannung. Der LMR1802G-LB wurde hinsichtlich der Offsetspannung verbessert und erreicht einen Maximalwert von ±450 μV im Vergleich zu ±2 mV (max.) bei herkömmlichen Operationsverstärkern, was zu geringerem Rauschen und höherer Genauigkeit führt.
Einfache Anwendung – trotz geringen Rauschens
In der Regel erhöhen CMOS-Operationsverstärker die Gate-Kapazität der Eingangs-MOSFETs zur Reduzierung des Rauschens. Diese höhere Kapazität erhöht die Phasenverschiebung und verringert den Phasenrand des Operationsverstärkers – und damit den für den Verstärkerbetrieb nutzbaren Bereich bis zum Schwingen der Schaltung.
Zudem ist der Ausgangswiderstand von CMOS-OPVs tendenziell gering, sodass rauscharme Operationsverstärker je nach Einsatzbedingungen eher zum Schwingen neigen, insbesondere, wenn sie eine kapazitive Last wie einen Kondensator treiben. Wenn also eine kapazitive Last direkt an den Ausgang eines CMOS-Operationsverstärkers angeschlossen wird, besteht die Möglichkeit, dass die Operationsverstärkerschaltung aufgrund der oben beschriebenen Phasenverschiebung schwingt.
Als Maßnahme gegen das Oszillieren von Operationsverstärkern kann ein Widerstand in den Ausgang in Reihe zur kapazitiven Last geschaltet werden oder es wird eine Kapazität zur Phasenkompensation hinzugefügt. Allerdings erhöhen diese Maßnahmen die Anzahl der Bauteile.
Der LMR1802G-LB gewährleistet einen Phasenrand von 68 ° ohne Last. Er kann an seinem Ausgang kapazitive Lasten bis zu 500 pF treiben – zwei- bis fünfmal mehr als herkömmliche rauscharme Operationsverstärker. Diese Eigenschaften ermöglichen eine einfachere Handhabung – ähnlich wie bei Standardoperationsverstärkern – bei gleichzeitiger Minimierung der Anzahl der Bauteile, die für das Verhindern der Oszillation benötigt werden.
Rauscharme CMOS-OPVs – ideal für Sensor-SoCs
Rohm entwickelt und vertreibt seit 2008 CMOS-Operationsverstärker für Industrie- und Konsumgeräte mit dem Fokus auf niedrige Stromaufnahme und den Betrieb bei niedrigen Spannungen. Die seit über zehn Jahren in der Entwicklung von universellen Operationsverstärkern in Automobilqualität praktizierte Technik ermöglicht es Rohm, OPVs zu fertigen, die sich durch hohe Zuverlässigkeit auch unter rauen Bedingungen einschließlich hoher Temperaturen auszeichnen. Die Entwicklung von leistungsfähigen Operationsverstärkern wird vorangetrieben, indem Schlüsselmerkmale wie geringeres Rauschen, niedrigere Offsetspannung, hohe Bandbreite und hohe Anstiegsgeschwindigkeit sowie niedrige Stromaufnahme verbessert werden.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Integration rauscharmer Operationsverstärker in größere ICs und SoCs. Wie eingangs erwähnt, hat die Forderung nach höherer Genauigkeit in den letzten Jahren den Bedarf an Operationsverstärkern erhöht, die in Sensoranwendungen geringeres Rauschen bieten können. Gleichzeitig erschwert jedoch das erhöhte Rauschen durch die Miniaturisierung von Transistoren die Integration von Operationsverstärkern in CMOS-Logik-ICs und SoCs.
Als Reaktion darauf hat Rohm die Ursache der Rauschentwicklung in CMOS-ICs und SoCs gründlich untersucht, um eine Technik für den Entwurf und die Integration rauscharmer CMOS-OPVs zu entwickeln. Damit ist es gelungen, nicht nur leistungsstarke Universal-Operationsverstärker-ICs zu entwickeln, sondern auch rauscharme Operationsverstärker, die in SoCs integriert werden können. Bei Rohm wird diese Technik für rauscharme OPVs zukünftig auch in SoCs für Sensoranwendungen eingesetzt (Bild 5).
Der Autor
Dipl.-Ing. Raimund Wagner
ist als Produktmanager bei Rohm Semiconductor für Mikrocontroller, Sensoren und Treiber verantwortlich. Er hat Mikroelektronik an der Universität Kaiserslautern studiert und sein Studium 1999 erfolgreich beendet. Seine berufliche Laufbahn startetet er als ASIC-Entwickler bei Oki Semiconductor Europe. 2003 wurde er stellvertretender Leiter für kundenspezifische Produkte (ASICs und μC) und 2006 wurde ihm das stellvertretende Produktmanagement für ASICs, μC und Sicherheitsapplikationen anvertraut. Mit der Übernahme von Oki Semiconductor durch Rohm 2009 wurde Wagner Produkt-Supportingenieur für Mikrocontroller und Sensoren und seit 2010 ist er als Produktmanager für Rohm Semiconductor tätig.
raimund.wagner@de.rohmeurope.com
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