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Störfeste Verstärkerschaltungen

Hochgeschwindigkeits-CMOS-Operationsverstärker

07. Dezember 2020, 08:30 Uhr   |  Von Makoto Lien

Hochgeschwindigkeits-CMOS-Operationsverstärker
© Rohm

Der Aufwand für Entstörmaßnahmen bei der Entwicklung von Verstärkerschaltungen lässt sich durch robuste Operationsverstärker reduzieren. Ein neuer Baustein mit Nano-Cap-Technik neigt auch bei parasitären Ausgangskapazitäten im Bereich von nF nicht zum Schwingen.

Das Internet der Dinge (IoT) hat in den vergangenen Jahren zu einem erheblichen Anstieg an elektronischen Komponenten geführt, die für eine moderne Steuerung in einer Vielzahl von Automobil- und Industrieanwendungen eingesetzt werden. Unter anderem werden Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker (OPVs) eingesetzt, um schwache Sensorsignale auch unter ungünstigen Bedingungen zuverlässig zu erkennen. Aufgrund von parasitären Leitungskapazitäten, die Hochgeschwindigkeits-OPVs an ihren Ausgängen zu ungewollten Schwingungen anregen, stellt die Leiterplattenentwicklung eine Herausforderung dar. Gleichzeitig wird es mit zunehmender Störanfälligkeit und Packungsdichte der elektrischen Komponenten auf Leiterplatten immer schwieriger, mit kompakten Bausteinen Schaltungen EMV-gerecht zu entwerfen. Als Reaktion darauf hat Rohm die Serie Emarmour entwickelt. Sie besteht aus OPVs und Komparatoren. Die Bausteine werden in den Automobil- und Industriemärkten aufgrund ihrer hohen Störfestigkeit gut angenommen. Dadurch reduziert sich der Aufwand für Entstörmaßnahmen bei der Schaltungsentwicklung. Die Produktpalette wurde nun um den OPV BD77501G erweitert, einen neuen Hochgeschwindigkeitstyp, der zur Erkennung abnormaler Signalbedingungen geeignet ist und ein Schwingen über den gesamten Lastkapazitätsbereich verhindert.

Vorteil Störfestigkeit

Die Schwingungen werden über die Nano-Cap-Technik unterbunden. Der Baustein ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsverstärkung mit Anstiegsraten von typ. 10 V/μs. Er eignet sich damit für die Erkennung kleiner Sensorsignale auch unter verrauschten Bedingungen. Der OPV erreicht eine hohe Rauschimmunität, die Abweichungen weniger als ±20 mV. Zum Vergleich: Aktuelle markttypische OPVs erreichen Abweichungen von ±200 mV und mehr. Ein Vorteil für die Entwicklung ist die hohe Störfestigkeit des Bausteins. Dadurch reduziert sich der Aufwand für Entstörmaßnahmen und die Stückliste wird kürzer, da weniger RC-Filter in die Schaltung integriert werden müssen. Im Falle einer CMOS-Struktur ist der Ruhestrom klein und beeinflusst somit nicht den Sensor.

Nano-Cap-Technik

Nano Cap bezieht sich auf eine extrem stabile Regelungstechnik. In ihre Entwicklung sind langjährige Fachkenntnisse im analogen Schaltungsdesign zusammen mit modernen Produktions- und Layoutprozessen und einem vertikal integrierten Herstellungssystem eingeflossen. Die stabile Regelung beseitigt das Problem des instabilen Betriebs, das mit parasitären Leitungskapazitäten in analogen Schaltungen verbunden ist, und trägt zu einer Verkürzung der Design-in-Zeit für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Automobil, Industrieausrüstung und Konsumelektronik bei. Der Regelkreis ist abhängig von der Phasenreserve und wird unterhalb von 0 ° instabil. Der Nano-Cap-OPV bietet eine Phasenreserve von mehr als 10 ° über dem gesamten Ausgangslastbereich (siehe Bild 1).

Die erhöhte Stabilität des Regelkreises gegen parasitäre Kapazitäten vergrößert die Möglichkeiten bei der Verdrahtung
© Rohm

Bild 1. Die erhöhte Stabilität des Regelkreises gegen parasitäre Kapazitäten vergrößert die Möglichkeiten bei der Verdrahtung.

Normalerweise ist ein OPV so aufgebaut, dass mehrere Verstärkerstufen im IC selbst integriert sind. Das erhöht den Verstärkungsfaktor. Wenn allerdings die Anzahl der Verstärkungsstufen zunimmt, wird der Schaltungsbetrieb aufgrund von Verdrahtungswiderständen und parasitären Kapazitäten instabil. Beim OPV BD77501G wurde die Anzahl der Verstärkungsstufen reduziert, indem die Verstärkung jeder Stufe erhöht wurde. Außerdem wurde der Aufbau überarbeitet, um den Einfluss von Verdrahtungswiderständen und parasitären Kapazitäten zu minimieren.

Die Emamour-Serie

Der Name Emamour ist Rohms Markenbezeichnung zur Kennzeichnung von Produkten, die proprietäre Techniken für Schaltungsdesign, Prozesse und Layout nutzen, um eine ex- trem hohe Störfestigkeit zu erzielen. Diese Techniken reduzieren Ausgangsspannungsschwankungen auf weniger als ±20mV, basierend auf einem ISO11452-2-konformen Störfestigkeits- test über das gesamte Rauschfrequenzband (Bild 2).

 Im Störfestigkeitstest für Straßenfahrzeuge nach ISO1145-2 zeigt der BD77051G eine geringe Anfälligkeit der Ausgangsspannung gegen die typischen Störfrequenzen
© Rohm

Bild 2. Im Störfestigkeitstest für Straßenfahrzeuge nach ISO1145-2 zeigt der BD77051G eine geringe Anfälligkeit der Ausgangsspannung gegen die typischen Störfrequenzen.

Der BD77501G ist ein OPV mit Full-Swing-Eingang und -Ausgang(Ausgangsschaltung mit AB-Betriebsmodus) und differenzieller Masse-Eingangsstufe. Entworfen wurden die Bausteine für Geräte für das Gebäudemanagement, wie Strom- und Gasdetektoren, für Motoren, die eine Hochgeschwindigkeitssteuerung (Signalübertragung) erfordern, und Wechselrichter-Steuerungsausrüstung. Sie sind für industrielle und Konsumelektronik-Anwendungen ausgelegt. Zwei typische Anwendungsbeispiele sind:

Verstärkung von Sensorsignalen
Tritt beim Erfassen von Sensordaten wie Druck, Schall, Temperatur oder Gewicht ein hohes Maß an externem Rauschen auf, kann es zu Systemfehlern kommen, wenn herkömmliche OPVs verwendet werden, oder bei langer Ausgangsverdrahtung zwischen Sensor und OPV. Bei Verwendung des BD77501G wird nur die Signalquelle verstärkt, um einen normalen Systembetrieb zu gewährleisten.

Stromerkennung
Beispielsweise wird der Stromfluss durch einen Motor über einen Shunt-Widerstand erfasst und überwacht. Die Spannungsdifferenz über dem Shunt ist sehr klein und befindet sich in einer Umgebung mit hoher elektromagnetischer Störstrahlung. Durch den Einsatz des BD77501G wird eine rauschfreie Verstärkung zur zuverlässigen Erfassung und Überwachung des Motorstroms gewährleistet

Ausblick

Die in der Emamour-Serie eingesetzten Techniken wie Nano Cap werden in Zukunft nicht nur für OPVs, sondern auch für LDOs, LED-Treiber und andere LSI-Bausteine eingesetzt werden, um sie noch robuster gegen Rauschen und Störeinstrahlung zu machen. Diese Bausteine werden es den Entwicklern ermöglichen, Schaltungen schneller und mit weniger Aufwand zu entwickeln, die darauf ausgelegt sind, Signale auch in verrauschten Systemen zu detektieren.

Der Autor

Makoto Lien ist Anwendungsingenieur bei Rohm Semiconductor.

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