Analoge Schaltungspraxis

Stromrückgekoppelte Operationsverstärker stabil halten

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

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Parasitäre Eingangskapazität

Die parasitäre Kapazität am invertierenden Eingang (CPI) 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. CPI bildet zusammen mit RRK und RV einen Tiefpass im Rückkopplungspfad des Operationsverstärkers. Sein Verhalten wird in der Übertragungsfunktion UA/UE 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 (CE) mit der parasitären Kapazität am invertierenden Eingang (CPI) übereinstimmen (CE = CPI) und RE muss gleich der Parallelschaltung von Rückkopplungs- und Verstärkungswiderstand ausgelegt werden (RE = RRK||RV).

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Wird die parasitäre Kapazität am invertierenden Eingang (CPI) kompensiert und der Eingangswiderstand auf den Wert der Parallelschaltung aus Rückkopplungs- und Verstärkungswiderstand dimensioniert, lässt sich die Resonanzüberhöhung im Frequenzgang gut
Bild 5. Wird die parasitäre Kapazität am invertierenden Eingang (CPI) kompensiert und der Eingangswiderstand auf den Wert der Parallelschaltung aus Rückkopplungs- und Verstärkungswiderstand dimensioniert, lässt sich die Resonanzüberhöhung im Frequenzgang gut eliminieren.
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Mit der Kompensation der parasitären Kapazität am invertierenden Eingang (CPI) wird zugleich auch das Überschwingen reduziert. Auch in diesem Beispiel wurde der Eingangswiderstand auf den Wert der Parallelschaltung aus Rückkopplungs- und Verstärkungs
Bild 6. Mit der Kompensation der parasitären Kapazität am invertierenden Eingang (CPI) wird zugleich auch das Überschwingen reduziert. Auch in diesem Beispiel wurde der Eingangswiderstand auf den Wert der Parallelschaltung aus Rückkopplungs- und Verstärkungswiderstand dimensioniert.
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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 RRK = RV den vom Hersteller angegebenen Widerstandswerten für die optimale Übertragungsfunktion entsprechen.

Aus beiden Abbildungen lassen sich weitere Schlüsse ziehen: Bei CPI = 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 CPI = 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 CE = CPI = 5 pF und RE = RRK||RV = RRK/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 (CPA) 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 CPA 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 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 CPA erforderlich ist, reicht eine geringfügige Anhebung der Widerstandswerte für RRK und RV aus.

Parasitäre Ausgangskapazität, Bilder 7-10

Bild 7. Eine kleine parasitäre Ausgangskapazität (CPA) verursacht nur eine geringe Überhöhung im Frequenzgang (magentafarbene Kurve). Sie lässt sich durch einen minimal höheren RRK-Wert kompensieren (blaue Kurve).
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Die in Bild 7 (blaue Kurve) vorgeschlagene Kompensation der parasitären Kapazität am Ausgang des stromrückgekoppelten Operationsverstärkers hat kaum Einfluss auf die Impulsantwort
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Eine hohe Ausgangskapazität lässt sich nur mit einem Serienwiderstand im Ausgang kompensieren. Änderungen der Widerstände – wie in Bild 7 vorgeschlagen – haben kaum Einfluss auf die Überhöhung im Frequenzgang
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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 (CPA) 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 RRK und RV führt nur zu einer geringen Verbesserung (blaue Kurve in Bild 9 und Bild 10).

Erst durch das Einfügen eines Vorwiderstandes (RS) in den Ausgang wird der Verstärkerausgang von der kapazitiven Last wirkungsvoll entkoppelt (siehe Schaltung in Bild 1). In dieser Simulation genügte bereits ein kleiner RS-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:

  1. Einsatz von geeigneten Leiterplattenlayouts, um die parasitäre Kapazität von vornherein zu minimieren.
  2. Abblocken der Versorgungsspannungen für niedrige und hohe Frequenzen mit 6,8-μF-, 100-nF- und 100-pF-Kondensatoren.
  3. Einfügen von 100-Ω-Widerständen zwischen einem Testpunkt und der zu messenden Leiterbahn, um den Einfluss der Tastkopfkapazität auf die Signalleitung zu minimieren.
  4. Einhalten der vom IC-Hersteller im Datenblatt spezifizierten Widerstandswerte.
  5. Durchführen eines initialen Impulsantworttests, um zwischen den Auswirkungen der parasitären Eingangs- und Ausgangskapazität unterscheiden zu können.
  6. Kompensation der parasitären Eingangskapazität durch einen RC-Tiefpass am nicht-invertierenden Signaleingang.
  7. Kompensation einer niedrigen parasitären Ausgangskapazität durch Anhebung der Werte für den Rückkopplungswiderstand (RRK) und den Verstärkungswiderstand (RV).
  8. Kompensieren einer großen parasitären Ausgangskapazität durch Einfügen eines kleinen Serienwiderstandes (RS) 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/www/doc/application-note/an1106.pdf.

 

Der Autor

Tom-Kugelstad von Renesas
Tom Kugelstadt von Renesas.
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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


  1. Stromrückgekoppelte Operationsverstärker stabil halten
  2. Parasitäre Eingangskapazität
  3. Übersicht der Bilder

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