Operationsverstärker
Die Qual der Wahl
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Parameter im Überblick
Ist das Eingangssignal ein Signal einer Sensorbrücke, z.B. Dehnungsmessstreifen, will man nur die Spannungsdifferenz der beiden Eingänge auswerten. Im einfachsten Fall übernimmt das eine Kombination aus mehreren Verstärkern. Link empfiehlt diesen Ansatz aber nur, wenn das Signal sehr langsam ist. Denn bei schnelleren Signalen werde die Differenz nicht mehr ideal verstärkt, sondern durch die Bauteiletoleranzen beeinflusst, was schnell zu einer ungenauen Messung führe. Link weiter: »Das wird manchmal auf die Toleranzen der Verstärker zurückgeführt, entpuppt sich aber oftmals als Toleranz der verwendeten Widerstände und Board-Kapazitäten.« Eine simple Differenzverstärkerschaltung habe ihre Grenzen, und dann könne nur ein Instrumentation-Verstärker wie z.B. der MCP6N16 weiterhelfen, der sich durch eine Offset-Spannung von 17 µV und eine GBWP (Verstärkungs-Bandbreite-Produkt) von 35 MHz (typ.) auszeichnet.
»Diese Werte zeigen, dass diese Komponente für wirklich präzise Messungen gemacht wurde«, so Link weiter. Link weist darüber hinaus darauf hin, dass der Kostendruck zwar immer besteht, aber nicht immer zur richtigen Entscheidung führt. Natürlich bestehe die Möglichkeit, über eine Kalibration, manchmal auch bei verschiedenen Temperaturen, einen „schlechteren“, damit aber kostengünstigeren Verstärker nehmen zu können, aber bei der Rechnung dürften die Kosten der Kalibration, die Kosten der dafür notwendigen Geräte etc. nicht vergessen werden. Link: »Ein präziser Verstärker ist nicht nur ein Rundum-sorglos-Paket, er kann auch jede Menge Geld einsparen, wenn sich ein System doch nicht unter allen auftretenden Toleranzen kalibrieren lässt.«
Aus der Sicht von Soufiane Bendaoud, Business Development Manager, Precision Amplifier Products bei Texas Instruments, ist der entscheidende Punkt, der bei der Auswahl eines Operationsverstärkers für ein analoges Front-End zu beachten ist, der Sensor, mit dem er verbunden ist. Insbesondere wird die Ausgangsimpedanz des Sensors die Wahl des Operationsverstärkers in Hinblick auf Eingangsstrom, Eingangsimpedanz und Rauschdichte des Eingangsstroms bestimmen. Ein Beispiel für einen sehr hochohmigen Sensor ist eine pH-Sonde, die einen Operationsverstärker mit sehr hoher Impedanz mit niedrigem Eingangsstrom benötigt, nämlich einen CMOS- oder JFET-Eingangs-Operationsverstärker. Auf der anderen Seite haben Thermoelemente niedrige Impedanzen und können mit bipolaren Eingangsverstärkern verbunden werden.
Davies hält auch die Open-Loop-Verstärkung für wichtig, denn auch sie kann Präzisionsschaltungen beeinflussen. Wenn die Open-Loop-Verstärkung nur 100x höher ist als die Closed-Loop-Verstärkung des verstärkten Signals, dann ist die Genauigkeit nicht sonderlich hoch. Dieser Punkt ist besonders dann wichtig, wenn das Eingangssignal ein Wechselstromsignal ist, weil das GBWP mit der Frequenz abfällt. Davies abschließend: »Dies kann bei Positionsregelungen problematisch sein.« Außerdem müsse auch auf die Größe und die Nähe der Eingangs- und Ausgangssignale geachtet werden. Davies abschließend: »In manchen Fällen können Rail-to-Rail-Eingänge erforderlich sein, um die Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche zu maximieren.«
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Parameter im Überblick
Brian Black, Product Marketing Director von Analog Devices (ehemals Linear Technology), hat einen Überblick über die Parameter zusammengestellt, die er für die Auswahl des richtigen Operationsverstärkers für entscheidend hält:
Eingangsstrom – für Sensoren mit hochohmigem Ausgang ist ein niedriger Eingangsstrom sehr wichtig, um Fehler zu minimieren und sicherzustellen, dass die Schaltung funktioniert. Wenn die Schaltung in einer Umgebung mit hohen Temperaturen oder in einem großen Temperaturbereich eingesetzt wird, dann ist es auch wichtig, dass der Eingangsstrom des Operationsverstärkers auch bei hohen Temperaturen niedrig bleibt, was bei vielen nicht der Fall ist. Zu den Operationsverstärkern, die einen sehr geringen Eingangsstrom über einen weiten Temperaturbereich aufweisen, gehört der LTC6268 für Hochgeschwindigkeitsanwendungen (z.B. Photodioden-TIA) und der ADA4530-1 für Anwendungen mit geringer Bandbreite (z. B. Elektrometer).
Uos und TCUos – Eingangs-Offset-Spannung und die dazugehörige temperaturabhängige Änderung können in hochgenauen Messungen ein Problem sein. Zero-Drift-Verstärker wie LTC2063, LTC2057 und ADA4522-1 sind in dieser Hinsicht optimiert.
Genauigkeit der Widerstände – in vielen Operationsverstärker- und Differenzverstärkerschaltungen ist der Begrenzungsfaktor für die Genauigkeit die Anpassung der externen Widerstände, um die Verstärkung einzustellen. Der LT1997-3 verfügt über hoch abgestimmte Widerstände, was sich auch über die Temperatur nicht ändert. Außerdem bietet das Unternehmen mit dem LT5400 ein Vierfach-Widerstandsnetz an, das mit separaten Verstärkern verwendet werden kann, um eine exzellente Präzisionsleistung zu erzielen.
Rauschen – abhängig von der Bandbreite der Schaltung und der Eingangsimpedanz am Operationsverstärker muss ein Systemdesigner das Spannungsrauschen und/oder Stromrauschen genau beachten. Der LT6018 zeichnet sich durch ein sehr niedriges 1/f-Spannungsrauschen aus.
Gleichtakteingangsbereich – bei Schaltungen, bei denen ein kleines Signal in Gegenwart einer großen oder variierenden Gleichtaktspannung gemessen werden muss, wie zum Beispiel bei der High-Side-Strommessung, ist eine gute Gleichtaktunterdrückung (CMRR) notwendig.
Leistungsaufnahme – in batteriebetriebenen Messgeräten und drahtlosen Sensornetzwerken ist die Leistungsaufnahme oft ein kritischer Faktor. In solchen Anwendungen ist die Fähigkeit, schnell zu starten, ohne überschüssige Ströme zu verbrauchen, wichtig. Ein Shutdown-Modus kann dazu beitragen, die Leistungsaufnahme während der inaktiven Perioden zu reduzieren. Verstärker wie LTC2063 und LTC6258 sind für solche Anwendungen optimiert.
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