Chopperstabilisierter, rauscharmer OP benötigt nur 17 µA Ruhestrom Zero-Drift-Verstärker mit niedriger Stromaufnahme

Eingangsstufen und Sensor-Schnittstellen von Präzisionsmessgeräten erfordern außer sehr kleinen Offset- und Offsetdrift-Werten auch ein sehr geringes Rauschen. Für den mobilen und autarken Betrieb mit Batteriespeisung muss die Stromaufnahme des rauscharmen Eingangsverstärkers und der nachfolgenden Signalaufbereitungsstufe gering sein. Es ist daher enorm wichtig, das 1/f-Rauschen zu eliminieren und das Rauschen auf das elementare thermische Rauschen zu reduzieren, das hauptsächlich durch den Stromverbrauch der Eingangsstufe bestimmt wird.

Chopperstabilisierter, rauscharmer OP benötigt nur 17 µA Ruhestrom

Eingangsstufen und Sensor-Schnittstellen von Präzisionsmessgeräten erfordern außer sehr kleinen Offset- und Offsetdrift-Werten auch ein sehr geringes Rauschen. Für den mobilen und autarken Betrieb mit Batteriespeisung muss die Stromaufnahme des rauscharmen Eingangsverstärkers und der nachfolgenden Signalaufbereitungsstufe gering sein. Es ist daher enorm wichtig, das 1/f-Rauschen zu eliminieren und das Rauschen auf das elementare thermische Rauschen zu reduzieren, das hauptsächlich durch den Stromverbrauch der Eingangsstufe bestimmt wird.

Ein Auto-Zero-Verstärker (AZV) eliminiert seinen Offset und sein 1/f-Rauschen auf Kosten eines stärkeren weißen Rauschens im Basisband. Ein chopperstabilisierter Verstärker (CSV) dagegen reduziert sein Basisband-Rauschen auf den anfänglichen Pegel des weißen Rauschens, erzeugt stattdessen aber eine höhere Ausgangswelligkeit. Da das Rauschen der Eingangsstufe umgekehrt proportional zum Ruhestrom Ir ist (äquivalente Eingangs-Rauschspannung en2 ≈ 1/Ir), wird bei der Entwicklung eines AZV häufig der Ruhestrom erheblich angehoben, um die gewünschten Rauschpegel nach der Faltung des Rauschens zu erzielen. Ein höherer Ir wirkt jedoch den Anforderungen für geringe Leistungsaufnahme entgegen. Die optimale Lösung besteht darin, einen CSV in Kleinleistungsanwendungen einzusetzen, wobei ein Weg gefunden werden muss, die Ausgangswelligkeit zu filtern.

Dieser Artikel beschreibt einen neuen rauscharmen, chopperstabilisierten Operationsverstärker, den OPA333, der mit einer 1,8-V-Versorgung arbeitet und einen Ruhestrom Ir von nur 17 µA benötigt.

Chopperstabilisierter Verstärker mit geringer Ausgangswelligkeit

Der OPA333 besteht aus einem Präzisionssignalpfad mit Transkonduktanz-Verstärkern (Operational Transconductance Amplifier), OTA1 bis OTA3, der parallel zu einem Breitbandsignalpfad, OTA4 und OTA3, geschaltet ist (Bild 1). Während der Präzisionspfad eine hohe Leerlaufverstärkung von V0 = 130 dB sicherstellt, liefert der Breitbandpfad eine Transitfrequenz von 350 kHz, bei einer Phasenreserve von 60°. Eine interne SC-Bandsperre (Switched-Capacitor) senkt das Chopperrauschen um einen Faktor von mehr als 500, wodurch eine äquivalente Rauschspannung von 55 nV/√Hz über eine Bandbreite von 20 kHz erzielt wird. Mit typischen Werten für Offset und Drift von UOS = 2 µV und dUOS/dT = 20 nV/K erzeugt der OPA333 nur 1,1 µVss Momentan-Rauschen im Frequenzband 0,01 Hz bis 10 Hz.

Die Eliminierung des Offsets bei Breitbandverstärkern

Zur Reduzierung der Eingangs-Offset-Spannung eines Breitbandverstärkers (VB) wird normalerweise die Unterstützung eines zusätzlichen stabilisierenden oder nullabgleichenden Verstärkers Vn benötigt, der parallel zum Hauptverstärker liegt (Bild 2). Der stabilisierende Verstärker muss in der Lage sein, seinen eigenen Offset zu unterdrücken, und ähnelt so einem idealen Verstärker. Darüber hinaus muss seine Leerlaufverstärkung bedeutend größer sein als die des Hauptverstärkers (Vn > VB). Dies wird normalerweise durch Einsatz eines mehrstufigen Verstärkers erreicht, dessen Eingangsverstärkung gleich VB und dessen Ausgangsverstärkung V ist, wobei V > 1. Dabei kann die vom nullabgleichenden Verstärker verwendete Methode zum Nullabgleich seines eigenen Offsets entweder Chopping oder Auto-Zeroing sein.

Die Ausgangsspannung des in Bild 2 oben dargestellten Stromkreises ergibt sich aus: UA = UB + Un = VB x (V + 1) x [UE + UOS / (V + 1)].

Unter der Annahme. dass V > 1 und VB x V durch VN ersetzt wird, ergibt sich die Wirk-Leerlaufverstärkung und der Eingangsoffset für das Verstärkermodell: UA = VN x (UE + UOS / V).

Auf diese Weise erhöht sich die Gleichspannungsverstärkung um den Faktor V von VB auf VN, während der Eingangsoffset des Breitbandverstärkers um V verringert wird (typisch 60 dB).