Analogtipp OpAmps: So messen Sie die Eingangskapazität

Die Eingangskapazität von Operationsverstärkern (OpAmps) ist nicht immer im Datenblatt zu finden. Die Messung ist schwierig, wenn die Eingangskapazität nur wenige Pikofarad beträgt. Mithilfe eines Messaufbaus aus Netzwerkanalysator und Power Splitter lässt sich das Problem einfach lösen.

Operationsverstärker werden in unterschiedlichen elektronischen Schaltungen eingesetzt. Anwendungen wie Rauchmelder, Fotodioden-Transimpedanz-Verstärker, medizinische Instrumente oder industrielle Steuerungssysteme erfordern eine möglichst geringe Eingangskapazität des Operationsverstärkers, da sie u.a. den Rauschanteil erhöht, was sich insbesondere bei hohen Taktraten und hoher Verstärkung auf die Stabilität des Systems auswirkt.

Um eine möglichst hohe Genauigkeit aus einer Schaltung herauszuholen, müssen Sie die Eingangskapazität des Operationsverstärkers kennen. Sie ist jedoch nicht immer im Datenblatt zu finden, weshalb sie oft ermittelt werden muss. Dies gestaltet sich teilweise schwierig, da in vielen Fällen die Eingangskapazität nur einige Pikofarad beträgt.

Exemplarisch zeigt Tabelle 1 einige unterschiedliche Operationsverstärker und deren jeweilige Eingangskapazität.

Operationsverstärker: Die Eingangskapazität bestimmen

Eine einfache Methode die Eingangskapazität eines Operationsverstärkers zu bestimmen, besteht darin, einen Widerstand in Reihe zum Operationsverstärkereingang (R_Serie) einzufügen, wie in Bild 1 zu sehen ist. Dadurch ergibt sich ein Tiefpass erster Ordnung, dessen Frequenzgang mittels Netzwerkanalysator aufgenommen werden kann. Anhand des Frequenzgangs kann die Eingangskapazität berechnet werden. Der Widerstandwert R_Serie liegt im Bereich von mehrerer 10 bis 100 kΩ.

Wenn Sie den Frequenzgang aufnehmen, sind ein paar Dinge zu beachten, damit die Messgenauigkeit nicht durch Streukapazitäten und Streuinduktivitäten auf der Leiterplatte bzw. beim Messaufbau beeinträchtigt wird.

Um die Streukapazitäten zu minimieren, wählen Sie eine hohe Messauflösung. Hierzu ist es ratsam FET-Tastköpfe mit geringer Kapazität (< 1 pF) zu verwenden. Ebenso sollte die Kapazität der Leiterplatte gegen Erde so gering wie möglich sein. Dies erreichen Sie, indem Sie sicherstellen, dass sich unter den Signalleitungen und dem Vorwiderstand keine Massefläche befindet.

Ferner gilt es, möglichst kurze Leitungen und (Widerstands-) Drähte zu verwenden, um weitere Fehlerquellen, wie Serien- und parasitäre Induktivitäten zu vermeiden.

OpAmps: Messaufbau mit Netzwerkanalysator und Power Splitter

Ein möglicher Messaufbau ist in Bild 2 zu sehen. Hierbei wird ein Netzwerkanalysator und zusätzlich ein Leistungsteiler (engl. Power Splitter) verwendet. Der Power Splitter hat die Aufgabe, das Signal aufzusplitten. Zum einen wird das Signal 1:1 an den Eingang des Netzwerkanalysators gelegt, zum anderen über den eingefügten Tiefpass an den Eingang des Operationsverstärkers. Der Netzwerkanalysator generiert nun aus der Differenz dieser beiden Signale den Frequenzgang.

Für die Messung selbst bestimmen Sie zunächst die Streukapazität C_Streu. Dazu legen Sie das Signal an, ohne dass sich ein Operationsverstärker auf der Leiterplatte befindet. Aus dem resultierenden Bode-Diagramm wird C_Streu gemäß Gleichung 1 berechnet:

C_Streu = 1 / [2π R_TH1 f₁ (–3 dB)] (Gl. 1)

f₁ (–3dB) ist dabei die mit dem Netzwerkanalysator gemessene –3dB-Grenzfrequenz ohne vorhandenen Operationsverstärker und R_TH1 ist eine Funktion des eingefügten Serienwiderstands (R_Serie), des Eingangsabschlusswiderstands (50 Ω) und der 50-Ω-Quellenimpedanz am Leistungsteiler (Thévenin-Äquivalent, Gleichung 2).

R_TH1 = R_Serie + (50||50) (Gl. 2)

Als nächstes platzieren Sie den Operationsverstärker auf der Leiterplatte. Da die Streukapazität der Platine parallel zur Eingangskapazität des Operationsverstärkers liegt, wird Gleichung 1 um C_IN ergänzt (Gleichung 3).

C_IN + C_Streu = 1 / [2π R_TH2 f₂ (–3 dB)] (Gl. 3)

f₂ (–3dB) ist dieses Mal die mit dem Netzwerkanalysator gemessene –3dB-Grenzfrequenz mit vorhandenen Operationsverstärker und R_TH2 eine Funktion des eingefügten Serienwiderstands, des Eingangsabschlusswiderstands (50 Ω), der Ausgangsimpedanz des Leistungsteilers (50 Ω) und der Gleichtakt-Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers R_CM (Gleichung 4).

R_TH2 = [R_Serie + (50||50)] || R_CM (Gl. 4)

Bei Operationsverstärkern mit CMOS-Eingang gilt allgemein R_SERIE << R_CM. Dadurch ergibt sich für R_TH2 ≈ R_TH1. Damit kann R_TH2 in Gleichung 3 durch R_TH1 ersetzt werden.

C_IN + C_Streu = 1 / [2π R_TH1 f₂ (–3 dB)] (Gl. 5)

Mit den Gleichungen 1 und 5 lässt sich nun die Eingangskapazität des Operationsverstärkers ermitteln.

Operationsverstärker: Eingangskapazität messen und berechnen

Die Messung der Eingangskapazität eines Operationsverstärkers gestaltet sich oftmals schwierig, da sich deren Werte im Picofarad-Bereich bewegen und parasitäre Effekte im Messaufbau das Ergebnis verfälschen.

Mit Hilfe eines kleinen Messaufbaus und entsprechendem Messequipment, bestehend aus Netzwerkanalysator und Power Splitter, können Sie die Eingangskapazität jedoch einfach bestimmen, indem Sie über den Frequenzgang zunächst die Streukapazität (Fehlerkondensatoren des Messaufbaus) und anschließend die kombinierte Kapazität (Fehlerkondensatoren und Eingangskapazität) der Operationsverstärkerschaltung ermitteln.

Mit den Gleichungen 1 und 5 können Sie die tatsächliche Eingangskapazität des Operationsverstärkers berechnen.

* Thomas Brand arbeitet als Field Application Engineer bei Analog Devices in München.

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