Wie gut sind SPICE-Modelle für OPVs?
Test der Eingangs-Offsetspannung und der Leerlaufverstärkung
Haben Sie je hinterfragt, ob das SPICE-Modell des gewählten Operationsverstärkers auch mit den Datenblatt-Spezifikationen übereinstimmt? Im sechsten Teil werden Testschaltungen zum Verifizieren der beiden wichtigsten Kennwerte eines Präzisions-OPVs gezeigt.
Die Eingangs-Offsetspannung (Uoff) und die Leerlaufverstärkung (V0) zählen zu den wichtigsten Kenndaten von Präzisions-Operationsverstärkern mit der größten Tragweite.
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Die Eingangs-Offsetspannung
Als Offsetspannung wird die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangsanschlüssen eines Operationsverstärkers bezeichnet. Je nach OPV sind hier Werte zwischen dem mV-Bereich und dem nV-Bereich üblich. Uoff addiert sich zu der jeweils von außen angelegten Eingangsspannung (UE) und führt deshalb zu Fehlern, wenn sie verglichen mit UE eine nicht zu vernachlässigende Höhe hat.
In Präzisionsschaltungen mit kleinen Eingangsspannungen sind Operationsverstärker mit niedrigem Uoff-Wert deshalb höchst begehrt.
In Bild 31 ist eine Schaltung zu sehen, an der bei einer Offsetspannung von 0,1 mV eine Eingangsspannung von 1 mV liegt.
Uoff beträgt damit 10 % von UE, und folglich bewirkt die Offsetspannung einen Fehler von ebenfalls 10 % am Ausgangssignal der Schaltung. Natürlich ist dieses Beispiel extrem, aber es verdeutlicht anschaulich, welche Auswirkungen Uoff in Operationsverstärkerschaltungen haben kann.
Um die Offsetspannung eines Operationsverstärkers zu messen, muss der Operationsverstärker als Puffer mit Eins-Verstärkung beschaltet werden. Der nicht-invertierende Eingang wird mit der halben Versorgungsspannung – bzw. bei bipolarer Versorgungsspannung mit Masse – verbunden.
Nun wird ein differenzieller Spannungs-Tastkopf an die beiden Eingänge des Operationsverstärkers angeschlossen, wobei darauf zu achten ist, dass die im Datenblatt des Bausteins angegebenen Bedingungen bezüglich der Versorgungs- und Gleichtaktspannung eingehalten werden. Bild 32 zeigt die für diese Messung empfohlene Prüfschaltung.
Im folgenden Beispiel wird mit dieser Schaltung die Offsetspannung des neuen rauscharmen Zero-Drift-Operationsverstärkers OPA189 [28] von Texas Instruments gemessen. Hierzu wird eine einfache DC-Analyse durchgeführt und die Offsetspannung Uoff gemessen (Bild 33).
Die gemessene Offsetspannung von –400 nV bzw. 0,4 µV entspricht exakt der Angabe im Datenblatt des OPA189 [28].
Leerlaufverstärkung
Die Leerlaufverstärkung ist unstrittig die wichtigste Kenngröße eines Operationsverstärkers, die nahezu alle Aspekte des linearen oder Kleinsignal-Betriebs beeinflusst, wie etwa das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt, die Stabilität, die Einschwingzeit und sogar die weiter oben behandelte Eingangs-Offsetspannung.
Aus diesem Grunde ist es von größter Wichtigkeit, sich zu vergewissern, dass das SPICE-Modell eines Operationsverstärkers das im Datenblatt angegebene Verhalten genau nachbildet. Die dafür empfohlene Prüfschaltung ist in Bild 34 dargestellt.
Diese Schaltung hat große Ähnlichkeit mit derjenigen, die zum Messen der Open-Loop-Ausgangsimpedanz verwendet wird [29].
Die Induktivität L1 sorgt auch hier bei DC für eine Rückkopplung, ermöglicht aber gleichzeitig eine AC-Analyse ohne Rückkopplung. Der Kondensator C1 verbindet den invertierenden Eingang bei AC mit der Signalquelle UE.
Bruce Trump hat es in [30] anschaulich erklärt: man kann sich V0 wie eine Offsetspannung vorstellen, die sich je nach der DC-Ausgangsspannung verändert.
Um also V0 zu messen, wird eine AC-Analyse der Übertragungsfunktion über den gewünschten Frequenzbereich ausgeführt, um die Amplitude und die Phase von UA/Uoff aufzuzeichnen.
Dabei ist darauf zu achten, dass die Vorgaben des Datenblatts bezüglich der Versorgungsspannung, der Eingangs-Gleichtaktspannung, des Lastwiderstands und der Lastkapazität genau eingehalten werden.
Mit dieser Methode wird nun am Beispiel des OPA189 die Leerlaufverstärkung gemessen.
Die Nachbildung der Leerlaufverstärkung des Operationsverstärkers entspricht in diesem Fall sehr genau den Angaben im Datenblatt (Bild 35).
Die bei ca. 200 kHz liegende Spitze in der V0-Kurve des Datenblatts entsteht durch die Chopper-Stufe am Eingang des Verstärkers und wird im Modell nicht nachgebildet, ihre Auswirkungen auf den Amplituden- und Frequenzgang in ihrer Umgebung jedoch schon.
Literatur
[28] OPAx189 Precision, Lowest-Noise 36-V, Zero-Drift, 14-MHz MUX-Friendly, Rail-to-Rail Output, Operational Amplifiers, Texas Instruments, Datenblatt, Oktober 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa189.pdf.
[29] Williams, I.: Wie gut sind SPICE-Modelle für OPVs?: Ausgangsimpedanz im Leerlauf unter der Lupe. Elektronik.de, 2019, www.elektroniknet.de/elektronik/halbleiter/ausgangsimpedanz-im-leerlauf-unter-der-lupe-161222.html.
[30] Trump, B.: Offset Voltage and Open-Loop Gain – they’re cousins. Texas Instruments, TI E2E Community, 31. Juli 2012, https://e2e.ti.com/blogs_/archives/b/thesignal/archive/2012/07/30/offset-voltage-and-open-loop-gain-they-re-cousins.
[31] Williams, I.: Op Amps: Vos and Ib. Texas Instruments, Video, TI Precision Labs, März 2015. https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-vos-and-ib?cu=14685.
[32] Semig, P.: Op Amps: Bandwidth 1. Texas Instruments, Video, TI Precision Labs, März 2015. https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-bandwidth-1?cu=14685.
Der Autor
Ian Williams, B. Sc.
ist Applikationsingenieur und SPICE-Modellentwickler für Präzisionsverstärker bei Texas Instruments in Tucson, Arizona, USA. Er erhielt seinen Bachelor in Elektrotechnik von der Universität von Texas in Dallas.
asktexas@ti.com
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