Operationsverstärker

OPVs für batteriebetriebene IIoT-Anwendungen

7. September 2022, 7:30 Uhr | Mark Patrick, Mouser Electronics
WEKA Fachmedien, Würth Elektronik
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Auch nach acht Jahrzehnten sind Operationsverstärker (OPVs) in vielen Anwendungen anzutreffen. Dieser Beitrag greift die praktischen Aspekte von Operationsverstärkern auf, erläutert einige der wichtigsten Parameter im Datenblatt und stellt einige potenzielle Anwendungen vor.

Operationsverstärker gibt es schon seit den frühen 1940-er Jahren, als das erste Konzept eines gleichstromgekoppelten Spannungsverstärkers mit großer Verstärkung auf der Basis thermionischer (Vakuum-)Röhren entstand. Schon bald wurden frühe Operationsverstärker (OPVs) in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, vom Radar bis hin zu analogen Computern – und ihre Nützlichkeit nimmt weiter zu. Heute sind diese Bauelemente der Kern praktisch aller elektronischen Geräte, von Fitnessuhren in der Unterhaltungselektronik bis hin zu Industrierobotern, autonomen Fahrzeugen und Kommunikationssatelliten.

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STMicroelectronics, UA741CD
Bild 1: Das interne Schaltbild des mehrstufigen Mehrzweck-Operationsverstärkers UA741CD von STMicroelectronics
© STMicroelectronics

Einer der beliebtesten Operationsverstärker, der auch heute noch produziert wird, ist der 741. Der µA741 von Fairchild Semiconductor (heute: onsemi) war zwar nicht der erste monolithische Halbleiter-Operationsverstärker – das war der 702 von Fairchild –, aber er hat sich schnell als der beliebteste Operationsverstärker für alle Arten von Designs etabliert. Der 741 kam 1968 auf den Markt, wird auch heute noch produziert und ist in Pin-kompatiblen Gehäusen von mehreren Anbietern erhältlich, beispielsweise von STMicroelectronics (Bild 1) und Texas Instruments.

Mouser, Operational Amplifier
Bild 2: Ein nicht-invertierender Operationsverstärker, der über R2 negativ rückgekoppelt ist.
© Mouser

In der Regel verfügt ein Operationsverstärker über einen unsymmetrischen Ausgang und differenzielle invertierende und nicht-invertierende Eingänge. Als Open-Loop-Verstärker eingesetzt, liefert er aufgrund seiner hohen Verstärkung ein Ausgangssignal, das viele tausend Mal größer ist als die Potenzialdifferenz zwischen den Eingängen. Ein OPV wird häufig negativ rückgekoppelt, um die Verstärkung zu begrenzen und an die Anwendung anzupassen (Bild 2). Trotz der hohen Verstärkung ist seine Ausgangsspannung natürlich durch die Höhe der Versorgungsspannungen begrenzt.

OPVs lassen sich als Differenzverstärker, Spannungsfolger, Differenzierer oder Integrator konfigurieren. Sie eignen sich für verschiedene Anwendungen und bieten in der Regel Funktionen wie aktive Filter, Pegelwandler, Pufferung, Signalkonditionierung, Verstärkung von Kleinsignalen (AC/DC) und Funktionsgeneratoren. Damit ist der Operationsverstärker ein perfekter Baustein für praktisch jedes Gerät.

Aus der Sicht der Funktionsweise eines Operationsverstärkers weist ein ideales Bauteil die folgenden Eigenschaften auf:

  • Er hat eine unendlich hohe differenzielle Spannungsverstärkung – die Ausgangsspannung wird ausschließlich durch die Eingangsspannung und die Rückkopplungsschaltung bestimmt.
  • Er hat einen unendlich hohen Eingangswiderstand, d. h. es fließt kein Strom in einen der beiden Eingänge.
  • Der Ausgangswiderstand ist gleich Null, d. h. die Last beeinflusst die Leistung des OPV nicht.
  • Seine Bandbreite ist unendlich, d. h. sie reicht von Gleichstrom bis zu jeder Frequenz, ohne dass sich die Phase oder die Verstärkung ändert.
  • Der Ausgang ist Null, wenn der Differenzeingang Null ist.

Eine hilfreiche Infografik, in der die Grundlagen eines Operationsverstärkers und einige beliebte Schaltungskonfigurationen erklärt werden, findet sich hier.

Operationsverstärker in der Praxis

Zum grundlegenden theoretischen Verständnis eines OPV ist zwar eine ideale Bauteilcharakterisierung hilfreich, aber in der Realität besitzen alle Operationsverstärker bestimmte Eigenschaften, die man als Entwickler vollständig verstehen muss. In diesem Teil des Beitrags geht es um einige der wichtigsten Parameter vor, die sich auf dem Datenblatt eines OPV finden. Je nach Art der Anwendung können einige dieser Merkmale einen direkten Einfluss auf die Geräteauswahl haben.

  • Eingangsseitige Offset-Spannung: Bei einem idealen Operationsverstärker sollte der Ausgang gleich Null sein, wenn der Differenzeingang gleich Null ist. Aufgrund von leichten Unterschieden bei der Fertigung des Bauelements weisen einige Transistor-Gates jedoch winzige Unterschiede auf. Die eingangsseitige Offset-Spannung ist die Spannung, die an den Differenzeingängen angelegt werden muss, um eine Ausgangsspannung von Null zu erzeugen (Uio). Typische Werte von Vio variieren erheblich, von einigen zehn Mikrovolt bis zu mehreren hundert Millivolt. Sind sehr niedrige Eingangsspannungen zu messen, kann Vio einen erheblichen Anteil ausmachen, was dann zu einer fehlerhaften Ausgangsspannung führt.
     
  • Eingangsseitiger Bias-Strom: Dies ist der unerwünschte Strom, der in die Differenzeingänge fließt. Er entsteht in der Regel aufgrund von Leckströmen und variiert je nach Prozesstechnologie. Er kann auch durch die um die Eingänge herum verwendeten Bias-Komponenten verursacht werden. Auch wenn der eingangsseitige Bias-Strom (Iib) winzig ist und in der Regel in der Größenordnung von Pikoampere oder Nanoampere liegt, kann es in hochohmigen Eingangsschaltungen zu einem deutlichen Spannungsabfall kommen, der sich auf den Ausgang auswirkt.
     
  • Verstärkungs-Bandbreitenprodukt: Dieser Parameter gibt an, wie sich der Operationsverstärker über einen bestimmten Frequenzbereich verhält, wobei die Verstärkung (Gain) mit steigender Frequenz allmählich abnimmt. Er gibt die Frequenz an, bei der die Verstärkung um 20 dB abnimmt.
     
  • Rail-to-Rail-Eingänge: Ein Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Eingängen kann Eingangsspannungen zwischen +Ucc und ­­‒Ucc verarbeiten.
     
  • Rail-to-Rail-Ausgänge: Ähnlich wie oben, kann die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers zwischen +Ucc und ­­‒Ucc erreichen.
Texas Instruments
Bild 3: Messung der Anstiegsrate eines Operationsverstärkers mit Blick auf die Änderungen des Ausgangssignals.
© Texas Instruments
  • Anstiegsrate: Die Anstiegsrate (Slew Rate) bestimmt, wie schnell sich der Ausgang des Operationsverstärkers im Vergleich zum Eingangssignal ändern kann. Bei HF-Anwendungen ist die Anstiegsrate entscheidend, da die Signalintegrität beeinträchtigt wird und Verzerrungen auftreten, wenn sich der Ausgang nicht an die Geschwindigkeit der Eingangsänderungen anpassen lässt. Die Anstiegsrate wird in Millivolt pro Sekunde gemessen, für den Anstieg der Ausgangsspannung von 10 bis 90 Prozent des Spitzenwertes (Bild 3).
     
  • Eingangskapazität: Die Eingangskapazität eines Operationsverstärkers kann seine Leistung beeinflussen, wenn die Frequenz der Eingangssignale zunimmt. Beim Messen von Batteriespannungen spielt dieser Faktor nur eine geringe Bedeutung, aber sind beispielsweise Ultraschallsignale aktiv zu filtern, ist dieser wichtig.
     
  • Rauschen: Wie bei vielen anderen Komponenten gibt es auch bei Operationsverstärkern mehrere Störquellen, die ein Rauschen im Ausgangssignal verursachen können, wenn kein Eingangssignal vorhanden ist. Dazu zählen thermisches Rauschen (weißes Rauschen) und 1/f-Rauschen (rosa Rauschen). Für Anwendungen mit großer Verstärkung und großer Bandbreite empfiehlt es sich daher, einen rauscharmen Operationsverstärker zu wählen.
     
  • Nulldrift: Der Einfluss von Faktoren wie der oben erwähnten eingangsseitige Offset-Spannung verändert sich in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit. Ein driftfreier Operationsverstärker verwendet einen Input-Swapping- oder Chopping-Ansatz, um diese Einflüsse zu eliminieren.
     
  • Stromaufnahme: Die Stromaufnahme spielt bei vielen Anwendungen eine immer wichtigere Rolle, nicht nur um die Energieeffizienz zu optimieren, sondern auch um die Lebensdauer der Batterien zu verlängern – insbesondere bei IoT/IIoT-Sensoren. Operationsverstärker haben einer wesentlich geringeren Stromaufnahme als andere IC-Bausteine, beispielsweise Mikrocontroller. Es gibt jedoch spezielle stromsparende Operationsverstärker mit Betriebsströmen von nur 900 nA pro Eingang, die sich hervorragend für batteriebetriebene Anwendungen eignen.

Operationsverstärker in der Übersicht

Die Halbleiterhersteller optimieren ihr Portfolio an Operationsverstärkern in der Regel in mehrere Kategorien, die sich nach den Spezifikationen der Bauelemente orientieren. STMicroelectronics unterteilt sie beispielsweise in Produkte mit niedrigem Stromverbrauch, niedriger Eingangs-Offset-Spannung, Hochspannung, Präzision, Rail-to-Rail und High-Speed. Analog Devices verfolgt einen ähnlichen Ansatz und unterscheidet Produkte, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind.

Ein Beispiel für einen Präzisions-OPV mit niedrigem Eingangs-Offset und Nulldrift ist die Baureihe TSZ121 von ST. Die in verschiedenen Gehäusekonfigurationen (Single, Dual und Quad) erhältlichen TSZ121 sind Rail-to-Rail-Eingangs- und -Ausgangs-Operationsverstärker. Sie können mit einer Gleichspannung von 1,8 V bis 5,5 V betrieben werden, haben eine maximale Stromaufnahme von 40 µA (bei 5 V) und weisen eine typische Offsetspannung von 5 µV bei +25 °C auf. Diese Baureihe eignet sich besonders für tragbare, batteriebetriebene Anwendungen, Schaltungen zur Signalkonditionierung und medizinische Messgeräte. Bild 4 zeigt die Verwendung des TSZ121 in einer Strommessschaltung eines batteriebetriebenen Geräts.

STMicroelectronics, TSZ121
Bild 4: Ein Beispiel für die Verwendung des Präzisions-Operationsverstärkers TSZ121 von STMicroelectronics zur Strommessung in einem tragbaren Gerät, das die Bedeutung der Auswahl eines Operationsverstärkers mit einer niedrigen Eingangs-Offset-Spannung verdeutlicht.
© STMicroelectronics

Ein hochpräziser Querwiderstand mit 8 mΩ ist in Reihe mit der Batterielast geschaltet. Ein Strom von 100 mA fließt durch den Querwiderstand und erzeugt eine Spannung von 800 µV, die über zwei 10-Ω-Widerstände an die Differenzeingänge angelegt wird. Der Operationsverstärker hat eine Verstärkung von 1000, d. h. man würde am Ausgang eine Spannung von 0,8 V messen.

In der Praxis beträgt die tatsächlich gemessene Spannung am Ausgang bei einer eingangsseitigen Offset-Spannung von 5 µV jedoch 0,805 V. Dieses Beispiel veranschaulicht die Bedeutung dieser Offset-Spannung für eine Messung. Wenn man beispielsweise einen Operationsverstärker mit einer eingangsseitigen Offset-Spannung von 200 µV gewählt hätte, wäre der Messfehler wesentlich größer gewesen.

STMicroelectronics, TSZ121, eDesignSuite
Bild 5: Die eDesignSuite von STMicroelectronics bietet einen Strommessdesign mit dem Operationsverstärker TSZ121.
© STMicroelectronics

Um ein Design auf Basis des TSZ121 zu beschleunigen, ist ein Low-Side-Prototyping-Board erhältlich. Das STEVAL-ISQ014V1 enthält einen Querwiderstand mit 30 mΩ. Außerdem bietet die eDesignSuite von STMicroelectronics eine schnelle und bequeme Möglichkeit zur Auswahl und zum Prototyping eines Designs und unterstützt damit die Ingenieure bei der Entwicklung und Simulation von Schaltungen auf Basis von Operationsverstärkern (Bild 5).

Analog Devices, Analog Filter Wizard
Bild 6: Design eines Bandpassfilters mit dem Analog Filter Wizard
© Analog Devices

Ein weiterer weit verbreiteter Anwendungsbereich von Operationsverstärkern sind aktive Filterschaltungen. Bild 6 zeigt das Design eines Audiofrequenz-Bandpassfilters mit Hilfe des Analog Filter Wizard von Analog Devices. Die gewünschten Filterparameter sind eine Mittenfrequenz von 800 Hz und ein 3-dB-Durchlassbereich von 300 Hz. Die Filterparameter lassen sich schnell anpassen, um den gewünschten Durchlassbereich einzustellen. Im nächsten Schritt können Anwender die Komponenten auswählen (Bild 7). Entweder könne sie dann die Vorschläge des Assistenten übernehmen oder manuell aus dem Portfolio der Operationsverstärker von Analog Devices auswählen.

Analog Devices, ADA4062
Bild 7: Stromlaufplan des Bandpassfilters mit einem für die erste Stufe ausgewählten Low-Power-Operationsverstärker ADA4062.
© Analog Devices

Der ADA4062 von Analog Devices hat eine typische Anstiegsrate von 3,3 V/µs, einen niedrigen eingangsseitigen Bias-Strom von 50 pA und eine eingangsseitige Offset-Spannung von 500 µV. Der Operationsverstärker kann mit einer Spannung von ±5 V bis ±15 V betrieben werden und hat eine typische Stromaufnahme von 165 µA.

Operationsverstärker spielen eine entscheidende Rolle bei batteriebetriebenen Anwendungen. Durch ihre extrem niedrige Stromaufnahme können sie kontinuierlich Messungen oder Signalkonditionierungen durchführen, ohne die Lebensdauer der Batterie wesentlich zu beeinträchtigen. Diese flexibel einsetzbaren Bauelemente eignen sich hervorragend für nahezu jedes Design.


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