Chopperstabilisierter, rauscharmer OP benötigt nur 17 µA Ruhestrom
Zero-Drift-Verstärker mit niedriger Stromaufnahme
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Mehrstufiger stabilisierender Verstärker
Lässt man den Choppermechanismus und die Bandsperre außer Acht, entsteht aus dem stabilisierenden Verstärker in Bild 1 ein 3-stufiger Miller-kompensierter (NMC, Nested Miller Compensation) Kaskadenverstärker, wie er in Bild 3 dargestellt ist. Zur Erinnerung: Die Miller-Kompensation (MC) wird in Operationsverstärkern eingesetzt, um die großen Kapazitätswerte zu reduzieren, die zur Erzielung niedriger Frequenzen bei den dominanten Polen benötigt werden. Auf diese Weise erhält man passende Kapazitätswerte für die On-Chip-Integration.
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Die Miller-Kompensation basiert auf einem von John Miller im Jahre 1920 entdeckten Effekt. Dieser besagt, dass die Eingangskapazität CE eines Verstärkers (V + 1)-mal größer ist als die tatsächliche Kapazität CC in der Rückkopplungsschleife, wobei V die Verstärkung des Verstärkers darstellt.
Der Präzisionspfad des Verstärkers in Bild 1 benötigt einen bedeutend höheren Verstärkungsfaktor als der Breitbandpfad. Um diese Verstärkung zu erzielen, wird eine 3-stufige Kaskadenschaltung eingesetzt. Dadurch ist ein Betrieb mit sehr kleinen Versorgungsspannungen möglich.
Die Miller-Kompensation des 3-stufigen NMC-Verstärkers liefert eine weitere wertvolle Eigenschaft: die Frequenzgangveränderung durch einen als Polsplitting bezeichneten Effekt – der erste Pol wird durch den Millereffekt zu kleineren Frequenzen, der größere zweite Pol zu höheren Frequenzen verschoben.
Bild 4 zeigt den Frequenzgang eines unkompensierten 3-stufigen Verstärkers mit den Polfrequenzen fp1, fp2 und fp3. Durch sorgfältigen Aufbau der Verstärkerstufen und geeignete Auswahl der Kompensations- oder Miller-Kapazitäten ist es möglich, fp1 nach unten zu einer sehr niedrigen Frequenz zu verschieben, wodurch diese zum dominanten Pol des Präzisionspfads wird. Gleichzeitig wird fp2 nach oben verschoben, wodurch der 20-dB/Dekade-Abfall und dadurch der Bereich der stabilen Operation erweitert wird.
Bei einem Einzelverstärker liegt fp2 normalerweise oberhalb der Transitfrequenz, wodurch ein 3-stufiger NMC-Verstärker eine hohe Bandbreite jenseits von 10 MHz bei Phasenreserven bis zu 70° erzielen kann. Beim OPA333-Design arbeitet der NMC-Verstärker dagegen parallel zu den Breitbandstufen OTA4 und OTA3. Da dieser Breitband-Vorwärtspfad für die notwendige Bandbreite und Phasenreserve des Gesamtverstärkers verantwortlich ist, sind die Stabilitätsanforderungen des NMC-Verstärkers gering, sodass sein zweiter Pol fp2 vor dem Erreichen der Eins-Verstärkung (unity-gain) liegen kann.
Wo setzt der Entwickler nun die eigentliche Offset-Eliminierung an? Zur Beantwortung dieser Frage können wir einfach die Verstärkerstufen in Bild 1 durch echte Operationsverstärker ersetzen, wobei der Präzisionspfad mit OP1 bis OP3 parallel zum Breitbandpfad mit OP4 und OP3 liegt (Bild 5). Zur weiteren Vereinfachung wurden das Schalter-Kondensator-Netzwerk und die Bandsperre weggelassen und der Verstärkerstromkreis in einer Rückkopplungskonfiguration dargestellt. Wird jeder Verstärker mit seiner eigenen Eingangs-Offset-Spannung versorgt, während UE auf Null gesetzt wird, ergibt sich eine Ausgangsspannung von:
Durch Trennung der UA-Terme und Auflösen nach UA ergibt sich:
Unter der Annahme, dass die Gleichspannungsverstärkungen von OP4 und OP1 gleich und sehr viel kleiner als die von OP2 sind, gilt:
Nun zeigt sich, dass mit Ausnahme von UOS1 alle Offset-Spannungen von den Leerlaufverstärkungen mindestens eines oder sogar zweier vorgeschalteter Verstärker unterdrückt werden. Die ungedämpfte UOS1 muss jedoch aktiv durch Chopping oder Auto-Zeroing eliminiert werden.
- Zero-Drift-Verstärker mit niedriger Stromaufnahme
- Das endgültige Verstärkersystem
- Mehrstufiger stabilisierender Verstärker
