Transimpedanzverstärker
Ideal für leistungsfähige und kostengünstige Rauchmelder
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Neben Bandbreite zählt auch die Genauigkeit
Abgesehen von der zu erfüllenden Bandbreiten-Anforderungen muss die Operationsverstärkerschaltung auch die Vorgaben hinsichtlich der Genauigkeit im statischen Betrieb erfüllen. Der wichtigste Kennwert hierfür in vielen Transimpedanz-Anwendungen ist der Eingangsstrom iE (Bias) des Operationsverstärkers. Dieser Strom erhöht oder verringert nämlich direkt den Signalstrom – hier iD. Abhängig davon, wie groß iE im Vergleich zum Signalstrom ist, kann dies zu erheblichen Fehlern führen. In Schaltungen für Rauchmelder kann die durch den Eingangsstrom iE am Eingang des OPV hervorgerufene Gleichspannung genutzt werden, um den Grenzwert für die Rauchdetektion festzulegen, ab dem der Rauchmelder eine Aktion auslöst.
In dem in Bild 2 gezeigten Beispiel kommt als Rr ein 5-MΩ-Widerstand zum Einsatz, um den max. Diodenstrom von 100 nA um den Faktor 5 x 106 V/A zu verstärken. Mit einem auf 0 A eingestellten Eingangsstrom (Bias) beträgt die Ausgangsspannung 500 mV, wie es nach der Übertragungsfunktion in Gleichung 1 zu erwarten ist.
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Die in Bild 3 gezeigte Schaltung verdeutlicht die Auswirkungen durch den Eingangsstrom (Bias). Mit einem Eingangsstrom von 10 nA verändert sich die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers auf 450 mV. Der Eingangsstrom von 10 nA bewirkt also eine Abweichung von 50 mV (bzw. 10 %) vom idealen Ausgangssignal von 500 mV.
Mit Gleichung 5 lässt sich der prozentuale Fehler des Aussteuerbereichs (FAB) auf der Grundlage des max. Diodenstroms (iDmax) und der Eingangsstromstärke (Bias) iE des Operationsverstärkers berechnen:
(5)
Der Operationsverstärker-IC TLV6001 gehört zu einer Familie leistungsfähiger universeller Verstärker von Texas Instruments, die sich dank niedriger Kosten für den Einsatz als Transimpedanzverstärker in Rauchmeldern eignen. Ausschlaggebend hierfür ist die von dem Verstärker gebotene ausgewogene Kombination aus einem Verstärkungs-Bandbreitenprodukt (GBW) von 1 MHz, einer niedrigen Ruhestromaufnahme von 100 µA, einem geringen Eingangsstrom (Bias) von 1 pA und einer kleinen Eingangskapazität von 6 pF. Weitere wichtige Eigenschaften, die diese Verstärkerfamilie für Entwickler von Rauchmeldern interessant machen, sind der weite Aussteuerbereich (Rail-to-Rail) der Ein- und Ausgänge und die gegen elektromagnetische Störsignale geschützten Eingänge, die helfen Störsignale von externen Quellen zu unterdrücken.
In der Tabelle sind verschiedene Kombinationen aus Transimpedanz-Verstärkungsfaktor und Bandbreite für den Operationsverstärker TLV6001 auf der Basis der Gleichungen 1 bis 4 zusammengetragen. Damit sich keine Stabilitätsprobleme einstellen, sollten Entwickler darauf achten, dass die Gesamt-Eingangskapazität (CE) unter der maximal zulässigen Eingangskapazität CEmax bleibt.
Verstärkung [V/A] | Bandbreite [kHz] | Rr | Cr | CEmax |
5 ×106 | 50 | 5 MΩ | 650 fF | 6 pF |
10 | 5 MΩ | 3,2 pF | 309 pF | |
1 | 5 MΩ | 31,8 pF | 31,8 nF | |
1 ×106 | 100 | 1 MΩ | 1,6 pF | 8 pF |
50 | 1 MΩ | 3,2 pF | 54 pF | |
10 | 1 MΩ | 15,9 pF | 1,57 nF | |
1 | 1 MΩ | 159 pF | 159 nF | |
5 ×105 | 100 | 500 kΩ | 3,2 pF | 22,6 pF |
50 | 500 kΩ | 6,4 pF | 115 pF | |
10 | 500 kΩ | 31,8 pF | 3,14 nF | |
1 | 500 kΩ | 318 pF | 318 nF | |
1 ×105 | 100 | 100 kΩ | 15,9 pF | 137 pF |
50 | 100 kΩ | 31,8 pF | 598 pF | |
10 | 100 kΩ | 159 pF | 15,7 nF | |
1 | 100 kΩ | 1,59 nF | 1,59 μF |
Tabelle. Beispiele für die Dimensionierung von Rr und Cr für die Transimpedanzverstärkerschaltung aus Bild 1 mit dem Operationsverstärker TLV6001 – mit GBW = 1 MHz, CD = 1 pF und CE– = CE+ = 5 pF.
Für die Simulation der Sprungantwort wurde die Schaltung aus Bild 1 dimensioniert für eine Verstärkung von 1 × 106 V/A und eine Bandbreite von 50 kHz (Bild 4). Die zulässige maximale Eingangskapazität beträgt 54 pF (siehe Tabelle). In Bild 5 ist die simulierte Sprungantwort dargestellt. Die Überschwinger und Oszillationen am Ausgang sind minimal, was auf ein stabile Verstärkerschaltung schließen lässt.
Literatur
[1] Trump, B.: Illuminating Photodiodes ;-). Texas Instruments, TI E2E Community, 6.8.2012, https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/thesignal/archive/2012/08/06/illuminating-photodiodes.
[2] Caldwell, J.: Part III - What op amp bandwidth do I need? (Transimpedance Amplifiers). Texas Instruments, TI E2E Community, 8.5.2014, https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/05/08/part-iii-what-op-amp-bandwidth-do-i-need-transimpedance-amplifiers.
[3] Kay, A. und Green, T.: Analog Engineer’s Pocket Reference. Texas Instruments, 4. Auflage, 2015, www.ti.com/seclit/sl/slyw038b/slyw038b.pdf.
[4] Trump, B.: The Signal – A compendium of blog posts on op amp design topics. Texas Instruments, 2017, www.ti.com/lit/sl/slyt701/slyt701.pdf.
[5] Caldwell, J.: Part I - What op amp bandwidth do I need? (Transimpedance Amplifiers). Texas Instruments, TI E2E Community, 7.5.2014, https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/precisionhub/archive/2014/05/07/transimpedance-amplifiers-what-op-amp-bandwidth-do-i-need-part-i.
Die Autoren
Amanda Leslie
arbeitet im Marketing für universelle Operationsverstärkern für allgemeine Anwendungen. Sie ist seit sechs Jahren bei TI und seit 2013 im Marketingbereich tätig. Ihr Hintergrund bei TI umfasst die Industriebereiche Automobilbau und Industrie mit einem Schwerpunkt auf Motorsteuerungen.
asktexas@ti.com
Collin Wells, B. Sc.
ist als Applikationsingenieur für allgemeine Operationsverstärker bei Texas Instruments tätig. Zu seinen Aufgaben gehört es, die Entwicklung industrieller Produkte und Anwendungen zu unterstützen. Er ist Experte für 4-20-mA-Treiber für Sensoren, die Entwicklung analoger Ausgangsstufen und dazugehörende Schutzschaltungen. Sein Schwerpunkt ist die Stabilität von Operationsverstärkern und er unterrichtet gerne andere über das Thema durch Publikationen und Videos. Wells studierte Elektrotechnik an der Universität von Texas in Dallas (BSEE).
asktexas@ti.com
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