IC-Verstärkerblock für genaue Verstärkungen von ¼ bis 6

| Autor / Redakteur: Chau Tran * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Ein monolithischer Verstärkerblock mit Verstärkern und On-Chip-Widerständen bietet einige Vorteile: höhere Genauigkeit, geringere Drift, bessere Gleichtaktunterdrückung. Darüber hinaus spart er Platz und vereinfacht das Board-Layout. Wir haben uns den AD8273 angeschaut.

Viele Applikationen benötigen Verstärkerblöcke, um schwache Signale zu verstärken oder Signale mit großem Pegel zu dämpfen und an den Skalenbereich eines A/D-Wandlers anzupassen. Leider bringen typische Verstärkerblöcke, die diskrete Verstärker und externe Widerstände enthalten, eine Reihe von Nachteilen mit sich, zum Beispiel geringe Genauigkeit und eingeschränkte Drift.

Verwendet man Standardwiderstände mit einer Toleranz von 1% und einer Drift von 100 ppm/°C zum Einstellen der Verstärkung, kann ein Verstärkungsfehler von 2% um bis zu 200 ppm/°C variieren.

Um die Verstärkung genau einzustellen, können Sie natürlich auch Präzisionswiderstände verwenden. Diese sind allerdings meist teuer und beanspruchen zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte. Die Verstärkung kann sich temperaturabhängig verändern, da jeder Widerstand eine andere Drift aufweist. Hier sind monolithische Verstärker, die Signale bei gleich bleibenden Leistungsdaten verstärken oder dämpfen können, hilfreich.

Die Schaltungen in Bild 1 und Bild 2 zeigen einen monolithischen Verstärker, der eine bessere Leistungsfähigkeit bei geringen Kosten bietet und außerdem kleiner als diskrete Konzepte ist. Die Schaltkreise kommen ohne externe Komponenten aus.

Bei dem Verstärkerschaltkreis in Bild 1 handelt es sich um den AD8273, einen verzerrungsarmen zweikanaligen Verstärker mit internen Widerständen. Mit den vier abgeglichenen Widerständen lässt sich jeder Kanal als leistungsstarker Differenzverstärker (G = ½ oder 2), invertierender Verstärker (G = –½ oder –2) oder als nicht-invertierender Verstärker (G = 1½ oder 3) konfigurieren.

Durch Kombination dieser beiden Verstärker lässt sich ein Verstärkerblock mit variablen Verstärkungen von ¼, ½, 1, 2, 3, 4 und 6 realisieren. Der Schaltkreis arbeitet an uni- und bipolaren Versorgungsspannungen und kommt mit einem Versorgungsstrom von 5 mA aus.

Ein derartiger Schaltkreis ließe sich zwar auch mit diskreten Komponenten aufbauen, die Integration der Widerstände auf dem Chip bietet jedoch Vorteile für Board-Entwickler. Dazu zählen ein besseres statisches und dynamisches Verhalten sowie geringere Fertigungskosten. Die internen Widerstände sind mittels Laser genau abgeglichen und optimal aufeinander abgestimmt.

Statische und dynamische Eigenschaften des monolitischen Verstärkers

Eigenschaften, die von der Widerstandsanpassung bestimmt werden, beispielsweise Verstärkungsdrift, Gleichtaktunterdrückung und Verstärkungsgenauigkeit, sind bei diesem IC besser als bei jeder mit diskreten Standard-Widerständen aufgebauten Schaltung. Durch die Integration der Widerstände verkürzt sich auch die Herstellungszeit für Boards und es erhöht sich die Zuverlässigkeit.

Die positiven und negativen Eingangsspannungen sind absichtlich nicht an das Chipgehäuse herausgeführt. Dadurch, dass man diese Schaltungsknoten intern behält, kann man ihre Kapazität erheblich im Vergleich zu diskreten Schaltungen senken. Geringere Kapazitäten an den Schaltungsknoten bedeutet eine verbesserte Schleifenstabilität und Gleichtaktunterdrückung über die Frequenz.

Aufgrund seines großen Versorgungsspannungsbereichs von ±2,5 V (5 V einfache Versorgung) bis ±18 V (36 V einfache Versorgung) eignet sich der Schaltkreis gut zum Messen großer Signale in Industrieapplikationen. Ferner kann der Baustein wegen seines Aufbaus als Widerstandsteiler Spannungen oberhalb der Versorgungsspannung messen.

Monolithischer Verstärker als Dämpfungsglied

Die Konfiguration des AD8273 in Bild 2 repräsentiert ein Dämpfungsglied mit einer Verstärkung von ½ oder ¼. Der Verstärkerblock enthält zwei interne Differenzverstärker mit einer Verstärkung von jeweils 0,5. Daher liefert die Ausgangsspannung UOUT1 eine genaue Verstärkung von ½ und UOUT2 eine genaue Verstärkung von ¼.

Alle Widerstände befinden sich im Verstärkerblock. So erreicht man eine Verstärkungsgenauigkeit von besser als 0,1% mit einer Temperaturdrift von weniger als 5 ppm/°C.

Fazit: Es lässt sich leicht erkennen, dass ein Verstärkerblock mit integrierten Verstärkern und On-Chip-Widerständen zur Einstellung der Verstärkung gegenüber diskreten Verstärkerschaltungen viele Vorteile bietet. Durch Zusammenschalten von mehreren ICs mit Widerständen auf dem Chip lassen sich eine Reihe von Anwendungen realisieren.

Die meisten dynamischen Eigenschaften von Operationsverstärker-Schaltungen hängen von der Genauigkeit der Widerstände ab. Daher bieten On-Chip-Widerstände einige Vorteile. Die On-Chip-Widerstände sind per Laser abgeglichen und auf Anpassungsgenauigkeit getestet. Daher erreicht man gute Werte für Verstärkungsdrift, Gleichtaktunterdrückung und Verstärkungsfehler.

Mit seinem platzsparenden Gehäuse reduziert der Chip außerdem den Platzbedarf auf der Leiterplatte. Der monolithische Verstärkerblock vereinfacht das Layout, senkt die Kosten und verbessert automatisch die Leistungsdaten des Systems.

* Chau Tran arbeitet in der Gruppe Instrumentation Precision Technology (IPT) bei Analog Devices in Wilmington / USA.

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Bild 1 zeigt zwei gleiche, hintereinander geschaltete Blöcke, die nach meinem Verständnis...  lesen
posted am 05.07.2018 um 20:16 von Unregistriert


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