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Analoge Schaltungspraxis

Stromrückgekoppelte Operationsverstärker stabil halten

10. März 2020, 15:14 Uhr | Von Tom Kugelstadt

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Parasitäre Eingangskapazität

Die parasitäre Kapazität am invertierenden Eingang (C_PI) hat in der Regel einen kleinen Wert im Bereich von 0,5 pF bis 5 pF und setzt sich aus der Layout-Streukapazität und der bauartbedingten Kapazität des SMD-Widerstandes RV zusammen. C_PI bildet zusammen mit R_RK und R_V einen Tiefpass im Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers. Sein Verhalten wird in der Übertragungsfunktion U_A/U_E des Verstärkers in eine Hochpasscharakteristik übersetzt.

Diese Hochpasscharakteristik lässt sich mit einem RC-Tiefpass am nicht-invertierenden Verstärkereingang kompensieren. Dazu muss die Eingangskapazität am nicht-invertierenden Eingang (C_E) mit der parasitären Kapazität am invertierenden Eingang (C_PI) übereinstimmen (C_E = C_PI) und R_E muss gleich der Parallelschaltung von Rückkopplungs- und Verstärkungswiderstand ausgelegt werden (R_E = R_RK||R_V).

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html?aid=174313" title="https://www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/bilder/uebersicht-der-bilder-8657-Bild-5.html?aid=174313">Bild 5 und Bild 6 zeigen die Frequenz- und Impulsverläufe für die Schaltung in Bild 1, wenn der stromrückgekoppelte Operationsverstärker bei einer Verstärkung V = 2 arbeitet, wobei R_RK = R_V den vom Hersteller angegebenen Widerstandswerten für die optimale Übertragungsfunktion entsprechen.

Aus beiden Abbildungen lassen sich weitere Schlüsse ziehen: Bei C_PI = 0 zeigen die Frequenz- und Impulsantworten (schwarze Kurven) weder eine Resonanzüberhöhung noch ein Überschwingen. Die nominale Verstärkung beträgt 6 dB und die Impulsamplitude beträgt ±200 mV für ein Testsignal am Eingang mit ±100 mV bei 10 MHz.

Bei C_PI = 5 pF hingegen weisen die Frequenz- und Impulsantworten (magentafarbene Kurven) eine Resonanzüberhöhung von nahezu 21 dB und ein Überschwingen von ±1 V auf.

Im Kompensationsfall (blaue Kurven), bei dem C_E = C_PI = 5 pF und R_E = R_RK||R_V = R_RK/2 sind, zeigen die Frequenz- und Impulsantworten eine Verringerung der Resonanzüberhöhung und des Überschwingens auf 0,5 dB bzw. ±45 mV.

Parasitäre Ausgangskapazität

Die parasitäre Kapazität am Verstärkerausgang (C_PA) beinhaltet ebenfalls Layout-Streukapazitäten, aber der Löwenanteil stammt in der Regel von größeren Lastkapazitäten, wie z.B. Sperrschichtkapazitäten der Suppressordioden und Stromsteuerungsdioden, Kabelkapazitäten und Eingangskapazitäten von Analog-Digital-Umsetzern oder anderen Verstärkern. Der Gesamtwert von C_PA kann daher von nur 20 pF bis zu mehreren 100 pF variieren.

Wie bereits erwähnt, haben kleine parasitäre Ausgangskapazitäten oft wenig Auswirkungen auf die Übertragungsfunktion, wogegen große CPA-Werte eine große Resonanzüberhöhung mit längerem Überschwingen in der Impulsantwort verursachen können. Die Diagramme in den html?aid=174313" title="https://www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/bilder/uebersicht-der-bilder-8657-Bild-7.html?aid=174313">Bildern 7 und 8 zeigen die Auswirkungen einer geringen Ausgangskapazität von 20 pF. Die daraus resultierende Verstärkungsspitze beträgt weniger als 1 dB und die Ausgangskapazität verursacht nur ein geringes Überschwingen von weniger als 30 mV. Wenn überhaupt eine Kompensation von C_PA erforderlich ist, reicht eine geringfügige Anhebung der Widerstandswerte für R_RK und R_V aus.

Parasitäre Ausgangskapazität, Bilder 7-10

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Im Gegensatz dazu ist bei großen Ausgangskapazitäten jedoch eine Kompensation erforderlich. Ohne Kompensation zeigen die Diagramme in Bild 9 und Bild 10 bei einer Ausgangskapazität (C_PA) von 500 pF (magentafarbene Kurve) eine Resonanzüberhöhung von 15 dB in der Übertragungsfunktion, begleitet von einem längeren Überschwingen in der Impulsantwort.

Die Anhebung der Widerstandswerte von R_RK und R_V führt nur zu einer geringen Verbesserung (blaue Kurve in html?aid=174313" title="https://www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/bilder/uebersicht-der-bilder-8657-Bild-9.html?aid=174313">Bild 9 und Bild 10).

Erst durch das Einfügen eines Vorwiderstandes (R_S) in den Ausgang wird der Verstärkerausgang von der kapazitiven Last wirkungsvoll entkoppelt (siehe Schaltung in Bild 1). In dieser Simulation genügte bereits ein kleiner R_S-Wert von nur 3,9 Ω, um die Resonanzüberhöhung auf weniger als 0,5 dB zu reduzieren und gleichzeitig das Signalüberschwingen von ±400 mV auf ±50 mV zu senken.

Acht Tipps für eine stabile Verstärkerschaltung

Die Stabilität eines stromrückgekoppelten Operationsverstärkers lässt sich sicherstellen, wenn die aufgezeigten Schaltungstipps und Empfehlungen befolgt werden:

Einsatz von geeigneten Leiterplattenlayouts, um die parasitäre Kapazität von vornherein zu minimieren.
Abblocken der Versorgungsspannungen für niedrige und hohe Frequenzen mit 6,8-μF-, 100-nF- und 100-pF-Kondensatoren.
Einfügen von 100-Ω-Widerständen zwischen einem Testpunkt und der zu messenden Leiterbahn, um den Einfluss der Tastkopfkapazität auf die Signalleitung zu minimieren.
Einhalten der vom IC-Hersteller im Datenblatt spezifizierten Widerstandswerte.
Durchführen eines initialen Impulsantworttests, um zwischen den Auswirkungen der parasitären Eingangs- und Ausgangskapazität unterscheiden zu können.
Kompensation der parasitären Eingangskapazität durch einen RC-Tiefpass am nicht-invertierenden Signaleingang.
Kompensation einer niedrigen parasitären Ausgangskapazität durch Anhebung der Werte für den Rückkopplungswiderstand (R_RK) und den Verstärkungswiderstand (R_V).
Kompensieren einer großen parasitären Ausgangskapazität durch Einfügen eines kleinen Serienwiderstandes (R_S) in den Ausgang.

Literatur

[1] Avoid Instability in Rail to Rail CMOS Amplifiers. Renesas, Application Note, AN1306, 17. September 2007, www.renesas.com/eu/en/www/doc/application-note/an1306.pdf.

[2] Converting From Voltage-Feedback to Current-Feedback Amplifiers. Renesas, Application Note, AN9663, 10. März 2006, www.renesas.com/eu/en/www/doc/application-note/an9663.pdf.

[3] Current Feedback Amplifier Theory and Applications. Renesas, Application Note, AN9420, April 1995, www.renesas.com/eu/en/www/doc/application-note/an9420.pdf.

[4] An Intuitive Approach to Understanding Current Feedback Amplifiers. Renesas, Application Note, AN9787, 11. Oktober 2004, www.renesas.com/eu/en/www/doc/application-note/an9787.pdf.

[5] Harvey, B.: Practical Current Feedback Amplifier Design Considerations. Intersil, Application Note, 24. März 1998, https://www.renesas.com/us/en/document/apn/an1106-practical-current-feedback-amplifier-design-considerations

Der Autor

Tom Kugelstadt

ist Principal Application Engineer bei Renesas Electronics America und definiert neue analoge ICs für industrielle Systeme. Er ist Diplomingenieur und hat an der Fachhochschule Frankfurt am Main Elektrotechnik studiert. Kugelstadt verfügt über mehr als 35 Jahre Erfahrung in der Entwicklung analoger Schaltungen.

tom.kugelstadt.jg@gr.renesas.com