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Manchmal muss ein Signal auf den Versorgungsspannungspegeln „reiten“

| Autor / Redakteur: Daniel Burton* / Kristin Rinortner

Frage: Ich entwickle einen Block zur Signal-Konditionierung für ein Präzisions-Analog-Front-End. Sollte ich dazu einen Operationsverstärker mit einem Eingang einsetzen, der den vollen Rail-to-Rail-Versorgungsspannungshub abdeckt?

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Präzisions-Front-End: Wann muss der Operationsverstärker in der Signal-Konditionierung den vollen Rail-to-Rail-Spannungshub abdecken?
Präzisions-Front-End: Wann muss der Operationsverstärker in der Signal-Konditionierung den vollen Rail-to-Rail-Spannungshub abdecken?
(Bild: ADI)

Antwort: Möglicherweise – das hängt davon ab, ob das Ausgangssignal des Sensors den Operationsverstärker auf eine Spannung nahe an den Versorgungspegeln treibt. Wenn man beispielsweise einen Laststrom von 0 bis 500 mA mit einem Präzisions-Shunt von 10 Ω überwacht, liegt die maximale Ausgangsspannung bei 5 V. Die Versorgungsspannung des Verstärkers beträgt also 5 V, und man müsste folglich einen Verstärker am Eingang wählen, der den vollen Versorgungsspannungsbereich abdeckt.

Die klassische Eingangsstufe für viele Operationsverstärker ist ein differenzielles Transistorpaar. Um das Gleichtaktspannungssignal (UCM) für den Operationsverstärker am Eingang zu verstärken, muss eine ausreichende Spannungsmarge zwischen Gleichtaktspannung und den Versorgungsspannungen vorhanden sein. Wenn UCM nahe genug an eine der beiden Versorgungspegel kommt, so dass das Eingangsspannungspaar keine Marge mehr hat, werden die Eingangs-Offsetspannung, aber auch andere Schlüsselparameter herabgesetzt, was die Genauigkeit verringert, wie in Bild 1 zu sehen ist.

Bild 1: Typische Eingangs-Offsetspannung in Abhängigkeit der Gleichtaktspannung des ADA4610.
Bild 1: Typische Eingangs-Offsetspannung in Abhängigkeit der Gleichtaktspannung des ADA4610.
(Bild: ADI)

Es sind diese Anforderungen an eine ausreichende Spannungsmarge, die den Eingangsspannungsbereich des Operationsverstärkers definieren. Einige Operationsverstärker mit hoher Genauigkeit, wie der ADA4610, besitzen diese klassische Eingangsstruktur. Solange die Eingangsspannung weit genug von den Versorgungspegeln entfernt ist, offeriert der Baustein eine exzellente Genauigkeit.

Wenn das Ausgangssignal des Sensors den U+-Pegel nicht erreicht, aber den gesamten Bereich bis zum negativen Pegel benötigt, braucht man einen Verstärker, der eine UCM akzeptiert, die auch bis auf U– hinuntergeht. Diese Verstärkerart wird als Single-Supply bezeichnet, weil, durch das Anbinden von U– auf Masse, nur eine einzige Spannungsquelle nötig ist. Single-Supply-OPVs nutzen eine besondere Schaltungstopologie, die eine Verstärkung des Signals erlaubt, selbst wenn dieses nahe des Versorgungspegels U– liegt.

Entsprechend benötigen einige Applikationen einen Operationsverstärker, der seine Genauigkeit beibehält, wenn die Eingangsspannung den vollen Bereich von U– bis U+ umfasst. Dies wird als Operationsverstärker mit einem Rail-to-Rail-Eingang (RRI) bezeichnet. Diese Operationsverstärker kombinieren zwei differenzielle Spannungspaare – eines für jeden Versorgungspegel. Der ADA4661 ist das klassische Beispiel eines RRI-OPVs. Wie man in Bild 2 erkennt, besitzt er eine exzellente Genauigkeit über den gesamten Versorgungsspannungsbereich.

Bild 2: Typische Eingangs-Offsetspannung in Abhängigkeit der Gleichtaktspannung des Rail-to-Rail-OPVs ADA4661.
Bild 2: Typische Eingangs-Offsetspannung in Abhängigkeit der Gleichtaktspannung des Rail-to-Rail-OPVs ADA4661.
(Bild: ADI)

Es müssen jedoch Kompromisse eingegangen werden, wenn der Eingang aus zwei differenziellen Spannungspaaren besteht, um den vollständigen Rail-to-Rail-Eingangsbereich zu generieren. Bei UCM-Übergängen von einem Paar auf das andere, wird ein kleiner Teil der Nulldurchgangsverzerrung in der Offset-Spannung reflektiert. Beim ADA4661 kann man sehen, dass die Verzerrungsamplitude rund 50 µV beträgt und etwa 2 V unterhalb des U+-Pegels liegt. Obwohl dies in manchen Systemen vernachlässigt werden kann, muss man diese Verzerrungen in anderen Systemen vermeiden.

Eine Lösung besteht darin, ein System so zu entwickeln, dass die Eingangsspannung unter der Crossover-Spannung bleibt. In Bild 2 ergäbe dies immer noch mehr als 16 V am Eingang. Applikationen mit einer kleinen Versorgungsspannung (z.B. 5 V) sind eine Herausforderung, da man es sich nicht leisten kann ausreichend IVR (hier z.B. 2 V) aufzugeben, ohne den Spannungsbereich des Eingangssignals signifikant zu reduzieren. In dieser Applikation benötigt man dann eine andere Art von Eingangsstufe.

Bild 3: Der Rail-to-Rail-OPV ADA4500 eliminiert Verzerrungen innerhalb seines gesamten Versorgungsspannungsbereichs.
Bild 3: Der Rail-to-Rail-OPV ADA4500 eliminiert Verzerrungen innerhalb seines gesamten Versorgungsspannungsbereichs.
(Bild: ADI)

Der ADA4500 eliminiert Crossover und damit auch die Crossover-Verzerrung, indem er nur ein einziges Eingangsspannungspaar benutzt. Eine Ladungspumpe liefert eine höhere interne Spannung, so dass an diesem Eingangspaar ausreichend Versorgungsspannung angelegt ist, selbst dann, wenn der OPV-Filter an den Versorgungspegeln liegt. Mit dieser Struktur kann der Sensor die Eingangsspannung des Operationsverstärkers über den gesamten Bereich treiben, ohne Crossover-Verzerrungen (Bild 3). Dabei liefert er eine garantierte Gleichtaktunterdrückung von 95 dB und eine Eingangs-Offsetspannung von 120 µV bei einer Temperatur von 25°C selbst dann, wenn das Eingangssignal auf den Versorgungspegeln „reiten“ muss.

Tabelle 1: Auswahl an Operationsverstärkern von klassischer bis hin zu Rail-to-Rail-Struktur (alle Werte in V).
Tabelle 1: Auswahl an Operationsverstärkern von klassischer bis hin zu Rail-to-Rail-Struktur (alle Werte in V).
(Bild: ADI)

* Daniel Burton ist Applikationsingenieur bei Analog Devices in Norwood / USA.

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