Hochleistungs-Operationsverstärker

Zero Offset, Zero Drift – Ziel oder Wirklichkeit?

01.11.2007 | Autor / Redakteur: Horst Huse* / Kristin Rinortner

Zahlreiche Hersteller werben mit Low-Offset-, Low-Offset-Drift- oder Hochleistungs-Operationsverstärkern. Angaben zu wenigen µV Eingangs-Offset und wenigen nV Offset-Drift sind meist nur Makulatur. Ist der Zero-Offset-OPV also nur ein Wunschtraum oder gibt es ihn wirlich?

Eine Marktrecherche nach Low-Offset-, Low-Offset-Drift- oder Hochleistungs-Operationsverstärkern fördert eine Reihe von Anbietern zutage. Auf den ersten Seiten der jeweiligen Datenblätter sind wenige µV Eingangs-Offset und wenige nV Offset-Drift spezifiziert.

In der Mehrzahl der Fälle wird man bei genauerer Durchsicht der Kenndaten dieser Operationsverstärker enttäuscht. Zum Teil gelten diese Angaben nur bei Raumtemperatur und sind als so genannte typische Werte spezifiziert, die sich mit Parameterstreuung und Temperaturänderung leicht verzehnfachen können. Zum Teil verhindern auch unzureichende Unterdrückungswerte für Versorgungsspannung und Eingangsgleichtakt oder zu kleine Leerlaufverstärkungen die Nutzbarkeit dieser niedrigen Offsetwerte. In vielen Fällen machen auch systembedingte Störspektren oder Intermodulationsprodukte am Ausgang - Überbleibsel der getakteten Offsetkompensation - einen solchen Operationsverstärker für spezifische Anwendungen unbrauchbar.

Zero-Offset in der Realität

Ist der Zero-Offset-Operationsverstärker also nur ein Wunschtraum oder gibt es ihn wirklich?

Ein optimiertes Auto-Zero-Verfahren für Operationsverstärker ohne ausgangsseitiges Störspektrum erzielt für High-Tech-Anwendungen extrem kleine Offsetspannungen von <1 µV. Die Offset-Drift liegt bei <0,01 µV/°C bei gutem Matching der vier OPVs im Baustein iC-HQ untereinander.

Leerlaufverstärkung, Gleichtaktunterdrückung und Versorgungsspannungsunterdrückung sind mit jeweils über 130 dB so hoch, dass der niedrige Eingangs-Offset zum Tragen kommen kann. Trotz der Stromaufnahme von typ. 375 µA ist der Baustein mit einer Bandbreite von 3,5 MHz und 2,5 V/µs sehr schnell bei gleichzeitiger Eins-Stabilität.

Das Pin-Out entspricht dem Standard für Quad-OPVs; somit lässt sich der Baustein 1:1 auf einer Leiterplatte austauschen, um die Leistungsfähigkeit einer bereits bestehenden Schaltung ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand zu verbessern.

Die Topologie des Chips entspricht im Wesentlichen dem von Auto-Zero-Verstärkern bekannten Aufbau: ein breitbandiger Signalpfad (OP1) und ein Hilfspfad mit selbst-nullendem Verstärker (OP2) zur Offset-Kompensation des Signalpfades (Bild 1). Dieser Aufbau wurde dahingehend optimiert, dass das üblicherweise durch den getakteten Nullabgleich des Hilfs-OPVs (OP2) auftretende Störspektrum am Ausgang gar nicht entsteht.

Niedriges 1/f-Rauschen trotz digitaler Verfahren

In der Praxis führen die Standardverfahren, die mit digitaler Unterstützung den Offset verringern, wie Chopper-Stabilisierung und Auto-Zeroing zu einem deutlichen Störspektrum am Ausgang, das in vielen Anwendungen Probleme bereitet. Meist ist die Angabe eines Rauschwertes sogar sinnlos, da das Störspektrum den Rauschbelag bereits um ein Vielfaches übertrifft.

Das optimierte Auto-Zero-Verfahren im iC-HQ bewirkt, dass sich der Operationsverstärker nach außen genauso verhält, als hätte er keinen digitalen Takt. Dabei wird dennoch das für getaktete Verfahren typische 1/f-Rauschen weitgehend eliminiert.

Ausgangsspektrum des iC-HQ mit Eingangssignal (30 kHz Sinus, Av = 100)
Ausgangsspektrum des iC-HQ mit Eingangssignal (30 kHz Sinus, Av = 100)

Das Bild zeigt das Ausgangsspektrum mit Eingangssignal (30 kHz Sinus, Av = 100). Störspektren durch den internen Takt und Intermodulationsprodukte durch das Eingangssignal sind am Ausgang nicht zu beobachten.

Universeller Einsatz in einem breiten Anwendungsspektrum

Bei der Entwicklung des iC-HQ stand nicht ausschließlich eine extrem niedrige Offsetspannung im Vordergrund, sondern der universelle Einsatz in einem möglichst breiten Anwendungsspektrum. Speziell Sinus/Cosinus-Signale sollten z.B. bei der Signalkonditionierung in der Positionssensorik, d.h. bei großer Verstärkung und hoher Frequenz noch klirrarm übertragen werden, ohne dass am Ende der Signalkette ein nennenswerter Offset auftritt. In einer solchen Signalkette kann der OPV auch die unterschiedlichen Anforderungen an die Parameter der erforderlichen Operationsverstärker abdecken, so dass die einzelnen, sonst nur in einer Eigenschaft optimierten Verstärker, durch einen 4-fach-Baustein ersetzbar werden.

Testschaltung zum Verifizieren der Offsetspannung

Der Offset im Sub-Mikrovoltbereich wurde serienmäßig und bei allen drei Temperaturen (Hoch-, Tief- und Raumtemperatur) mit einer zum Patent angemeldeten, auf dem Chip integrierten Schaltung, getestet. Diese Testschaltung ermöglicht eine Prüfung der spezifizierten Offsetparameter auch bei den unvermeidlichen Kontaktspannungen an den Gehäuse-Pins, die sich z.B. bei ungleichen Temperaturen bei der Kontaktierung im automatischen Test ergeben.

Kontaktspannungen sind ein Grund dafür, dass Operationsverstärker oft nur mit typischen Werten für geringe Offsetspannungen spezifiziert oder mit „guaranteed by design“ außerhalb der Zusage zur Einhaltung von Parametern angegeben werden.

Eine derartige Einschränkung bei der Spezifikation ist für den iC-HQ nicht erforderlich, da hier die Offsetspannungen aller vier OPVs im Warenausgangstest im Gehäuse auch bei Ecktemperaturen geprüft werden. Damit erreicht der Anwender eine höhere Fertigungsausbeute, Qualität und Zuverlässigkeit bezüglich eines schwer analysierbaren und nachweisbaren, aber entscheidenden Parameters.

Indirekte Einflüsse auf die Offsetspannung verringern

Die technischen Kenndaten, wie z.B. die Leerlaufverstärkung, Gleichtaktunterdrückung und Versorgungsspannungsunterdrückung, die die Offsetspannung indirekt beeinflussen, müssen so hoch sein, dass sie die Offset-Spannungsspezifikation nicht quasi durch die Hintertür aushebeln. Als Minimum für diese „Unterdrückungsparameter“ sollten für Präzisions-Operationsverstärker 120 dB gelten, wobei der Durchgriff auf den Offset bereits 1 µV/V beträgt.

Der beschriebene Baustein übertrifft diese Forderungen und zeichnet sich durch eine hohe Stör- und Lastunterdrückung auch zwischen den OPVs auf einem Chip bzw. im gleichen Gehäuse aus. Bei spezifikationsgemäßem Betrieb sind Auswirkungen dieser Störgrößen nicht nachweisbar.

Anwendungen in der Messtechnik und im Audiobereich

Von der absoluten Genauigkeit und Langzeitstabilität profitieren Messverstärker, z.B. für Dehnungsmessstreifen, Thermoelemente, piezoelektronische Sensoren, Hallsensoren oder Fotodioden. In diesen Messtechnikanwendungen lassen sich kleinste Signale rauscharm, Offset- und Offsetdrift frei hoch verstärken.

Im Audiobereich können harmonische und disharmonische Oberwellen den Hörgenuss beeinträchtigen, so dass gängige Präzisionsoperationsverstärker wegen ihres Störspektrums und wegen der zu geringen Bandbreite bei höherer Verstärkung nicht eingesetzt werden. Auf Grund seines sauberen Ausgangsspektrums und der hohen Bandbreite kann der iC-HQ durchaus auch im HiFi-Bereich eingesetzt werden.

Der beschriebene Verstärker bietet sich für folgende Einsatzgebiete an: Eingangsstufen, Differenzverstärker, Instrumentenverstärker, Signalkonditionierer, Drehgeber-Anwendungen, Audio-Anwendungen, Sensor-Schnittstellen, A/D-Wandler, D/A-Wandler, Sample & Hold-Schaltungen, hochohmige Buffer, Spannungsfolger, Strom/Spannungswandler, GND-Sense-Anwendungen, Präzisionsmessgeräte und viele mehr.

*Horst Huse ist bei iC-Haus in Langenpreising als HT-Analyst tätig.

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