Analogtipp Stabilitätsprobleme bei Low-Power-OpAmps

Die meisten Operationsverstärker werden mit Gegenkopplung betrieben. Die Kunst besteht darin, diese stabil zu halten. Besonders anfällig für Instabilitäten sind stromsparende OpAmps. In diesem Analogtipp zeige ich Ihnen zwei Möglichkeiten zur Stabilisierung von Low-Power OpAmps.

Die meisten Operationsverstärker werden mit Gegenkopplung betrieben, d. h. das Ausgangssignal wird an den invertierenden Eingang zurückgeführt. Dabei passt man die Ausgangsspannung so an, dass sich an beiden Eingängen dieselbe Spannung einstellt.

Hierdurch wird verhindert, dass die sehr hohe Leerlaufverstärkung von 120 dB den Ausgang auf das Niveau einer der beiden Versorgungsspannungen treibt. Die Gegenkopplung bewirkt somit, dass das Ausgangssignal des Operationsverstärkers stabil und vorhersagbar ist.

Das Zurückleiten von OUT an IN– allein garantiert jedoch noch keine stabile Gegenkopplung. Wird das Ausgangssignal etwa auf seinem Weg nach IN– verzögert, kommt es zu einer Überreaktion: die Ausgangsspannung schießt über ihren finalen Wert hinaus und es entsteht eine lange Einschwingzeit.

Mit zunehmender Verzögerung des Gegenkopplungssignals wird die Phasenverschiebung schließlich so groß, dass es zu einer positiven anstatt zu einer negativen Rückkopplung kommt, was Oszillationen am Ausgang zur Folge hat.

Verzögerungen durch große RC-Zeitkonstanten

Die genannten Verzögerungen entstehen durch große RC-Zeitkonstanten, gebildet beispielsweise durch Wechselwirkungen zwischen der Ausgangsimpedanz (R_O) und der Lastkapazität (C_Load) oder zwischen dem Rückkoppelwiderstand (R_F und R_G) und der Eingangskapazität (C_CM und C_Diff).

Siehe hierzu Bild 1. Grundsätzlich gilt, dass die Verzögerung umso größer wird, je höher die RC-Zeitkonstante ist.

Instabilitäten bei Low-Power OpAmps

Besonders anfällig für solche Instabilitäten sind Low-Power-Operationsverstärker, deren Ausgangsimpedanz bei offenem Regelkreis umso größer wird, je kleiner die Ruhestromaufnahme (I_Q) und das Verstärkungs-Bandbreitenprodukt (GBW) sind. Damit beeinträchtigen selbst geringe Lastkapazitäten die Stabilität. Erschwerend kommt hier hinzu, dass in Schaltungen mit Low-Power-OpAmps tendenziell große Rückkoppelwiderstände eingesetzt werden, um Strom zu sparen.

Low-Power OpAmps: Stabilisierung durch einen Isolationswiderstand

Eine Möglichkeit der Stabilisierung ist das Hinzufügen eines Isolationswiderstands (R_iso) bei kapazitiven Lasten. Hierzu muss lediglich ein einziger Widerstand mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (also im Anschluss an die Rückkoppelschleife) verbunden werden (Bild 2).

Dieser Widerstand muss nicht besonders genau sein und kann einen großen Widerstandswert haben. Er wirkt sich trotzdem nicht stark auf das Ausgangssignal aus, da die Ausgangsströme bei den meisten Low-Power-Schaltungen eher gering sind. Dieser wirkt dem soeben beschriebenen Effekt der RC-Zeitkonstante entgegen, reduziert so die Verzögerung des Gegenkopplungssignals und resultiert in einer stabileren Schaltung.

Dennoch ist die R_iso-Methode nicht für jede Anwendung geeignet, denn gelegentlich sind die vorgefundenen Instabilitäten auf Wechselwirkungen zwischen einem großen Gegenkopplungswiderstand und der Eingangskapazität des Verstärkers zurückzuführen.

Stabilisierung durch einen Kompensations-Kondensator

Abhilfe kann hier ein Kompensations-Kondensator (C_Comp) im Gegenkopplungszweig schaffen, dessen Kapazität ähnlich groß ist wie die Eingangskapazität des Verstärkers. Letztere ist die Summe aus der Gleichtakt- und der differenziellen Eingangskapazität des OpAmps (siehe Datenblatt). Insgesamt wird dadurch also die Zeitkonstante der Eingangskapazität und des Gegenkopplungswiderstands genau ausgeglichen (Bild 3).

Empfehlenswert ist es, auf der Leiterplatte von vornherein Platz für R_iso und C_Comp zu lassen und auch entsprechende Testpunkte vorzusehen. Bei etwaigen Stabilitätsproblemen lässt sich dann schnell Abhilfe schaffen, indem die entsprechenden Bauteile nachgerüstet werden. Dies ist auf jeden Fall einfacher und billiger als das Design einer neuen Leiterplatte. Werden die Stabilisierungs-Bauteile nicht benötigt, kann R_iso durch einen 0-Ω-Widerstand ersetzt und C_Comp einfach weggelassen werden.

Fazit: Die Stabilitätsprobleme von stromsparenden Operationsverstärkern lassen sich mit den gerade beschriebenen Maßnahmen wirkungsvoll lösen, sodass sich der Vorteil eines geringen Stromverbrauchs auch mit Schaltungen erzielen lässt, die gleichzeitig robust und stabil sind.

* Daniel Miller ist Systemingenieur Verstärker bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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