Nanopower-Operationsverstärker – Teil 1
Einsatz als präzise Messverstärker: Gleichstromverstärkung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Offsetspannung und Drift
Bei realen Operationsverstärkern ist eine Offsetspannung Uoff zwischen den Eingangsanschlüssen festzustellen, was in Schaltungen zur Signalaufbereitung, die mit niedrigen Frequenzen nahe 0 Hz arbeiten, gelegentlich ein Problem sein kann. In Spannungsverstärkern nämlich wird die Offsetspannung zusammen mit dem Signal verstärkt, wodurch sich Messfehler einschleichen. Hinzu kommt, dass Uoff in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur variieren kann (Drift). Wenn also niederfrequente Signale mit einigermaßen hoher Auflösung gemessen werden sollen, dann kommt es auf die Wahl eines präzisen Operationsverstärkers (Uoff ≤ 1mV) mit möglichst kleiner Drift an.
Der ungünstigste Wert für die Offsetspannung lässt sich mit Gleichung 4 berechnen:
mit TCVoff = Offsetspannungsdrift [V/K]
Soviel zur Theorie, als nächstes geht es an eine praktische Anwendung, eine Verstärkerschaltung für elektrochemische Sensoren mit zwei Elektroden. Sie sind im Prinzip wie elektrochemische Zellen aufgebaut, erzeugen häufig aber nur sehr schwache Signale mit niedriger Frequenz. Sie werden auch in portablen Messgeräten beispielsweise zur Gasdetektion oder Blutzuckermessung eingesetzt und sollten mit einem für niedrige Frequenzen bis 10 kHz ausgelegten Nanopower-Operationsverstärker kombiniert werden.
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Beispiel: Sensorverstärker
In der Schaltung in Bild 3 wird ein Sauerstoffsensor als Anwendungsbeispiel verwendet, der an seinen Sensorausgängen bei maximaler Gaskonzentration eine Spannung von 10 mV abgibt. Die Strom-Spannungs-Wandlung erfolgt mit einem vom Sensorhersteller spezifizierten Lastwiderstand RL. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers soll 1 V bei der maximalen Eingangsspannung (Vollausschlag) betragen.
Mit Gleichung 2 lässt sich errechnen, dass die Verstärkung V = 100 betragen muss, oder anders ausgedrückt: Rr muss 100-mal größer als R2 sein. Mit Widerstandswerten von 100 MΩ und 1 MΩ ergibt sich eine Verstärkung von 101. Die Widerstandswerte sind außerdem ausreichend hoch, um den Stromfluss und die Verlustleistung der Schaltung zu minimieren.
Um den Offsetfehler zu minimieren, empfiehlt sich die Verwendung eines Zero-Drift-Nanopower-Operationsverstärkers, wie zum Beispiel der LPV821. Mit Gleichung 4 errechnet sich für einen Betriebstemperaturbereich von 0 °C bis 100 °C der maximale Offsetfehler für den LPV821 zu:
Würde ein universeller Nanopower-Operationsverstärker wie beispielsweise der TLV8541 verwendet, würde der Offsetfehler folgenden Wert erreichen:
Da das Datenblatt des TLV8541 keine maximale Offsetspannungsdrift nennt, wurde hier zur Berechnung auf den typischen Wert zurückgegriffen.
Besser geeignet sind dagegen Präzisions-Nanopower-Operationsverstärker wie der LPV811. Für ihn berechnet sich der Offsetfehler zu:
Auch das Datenblatt des LPV811 gibt keine maximale Offsetspannungsdrift an. Deshalb wurde hier ebenfalls der typische Wert für die Berechnung genommen.
Der LPV821 wäre die beste Wahl für diese Anwendung. Bei einer Stromaufnahme von 650 nA kann er Änderungen der Ausgangsspannung des Sauerstoffsensors von nur 18 µV oder weniger registrieren, wobei er einen maximalen Offset-Verstärkungsfehler von nur 2,3 mV verursacht.
Wenn sowohl hohe Genauigkeit als auch eine Nano-Leistungsaufnahme gefordert wird, sind Zero-Drift-Nanopower-Operationsverstärker zweifellos die beste Wahl.
Im zweiten Teil [1] wird beschrieben, auf welche Weise ultrapräzise Nanopower-Operationsverstärker bei Schaltungen zur Strommessung hilfreich sein können.
Literatur
[1] Vansteeg, G.: Nanopower-Operationsverstärker – Teil 2: Einsatz als präzise Messverstärker: Messen der Stromstärke. Elektronik.de, www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/einsatz-als-praezise-messverstaerker-messen-der-stromstaerke-156125.html
[2] Atwal, J.: Advantages of Using Nanopower, Zero Drift Amplifiers for Battery Voltage and Current Monitoring in Portable Applications. Texas Instruments, TI TechNotes, Dezember 2017, www.ti.com/lit/an/snoa977a/snoa977a.pdf.
[3] Atwal, J.: Simplifying Environmental Measurements in Power Conscious Factory and Building Automation Systems with Nanopower Op Amps. Texas Instruments, TI TechNotes, Januar 2018, www.ti.com/lit/an/snoa978a/snoa978a.pdf.
[4] Althar, A.: Current Sensing in No-Neutral Light Switches. Texas Instruments, TI TechNotes, Oktober 2017, www.ti.com/lit/an/snoa968a/snoa968a.pdf.
[5] Amplifiers, Overview. Texas Instruments, www.ti.com/amplifier-circuit/overview.html.
Die Autorin
Gen Vansteeg, M.Eng.
hat ihr Masterstudium an der Purdue University Calumet, USA, abgeschlossen. Sie hat viele Jahre in der Halbleiterindustrie gearbeitet und ist heute als Ingenieurin bei Texas Instruments im Produktmarketing tätig, mit dem Schwerpunkt auf Ultra-Low-Power Operationsverstärker.
asktexas@ti.com
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