Operationsverstärker: Wie Sie Präzision bei gleichzeitig höherer Ausgangsleistung erreichen

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Bild 1: Aufbau zweier in Reihe geschalteter Operationsverstärker als kombinierter Verstärker
Bild 1: Aufbau zweier in Reihe geschalteter Operationsverstärker als kombinierter Verstärker (Bild: ADI)

In diesem Analogtipp gehen wir auf die Schaltungsentwicklung mit Composite Amplifiern ein. Dazu schaltet man zwei Verstärker mit unterschiedlichen Eigenschaften in Reihe. So bieten sich viele Möglichkeiten, um ein sehr breites Spektrum anspruchsvoller Anwendungen abzudecken.

Häufig stehen Entwickler der Herausforderung gegenüber, Anwendungen zu entwickeln, die unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. Meistens sind diese Anforderungen konträr zu einander und lassen sich nicht kombinieren. Beispielsweise in dem Fall, einen sehr schnellen Operationsverstärker für möglichst hohe Spannungen und hohe Ausgangstreiberleistung zu finden, der gleichzeitig eine extreme Gleichstromgenauigkeit, geringes Rauschen und geringe Verzerrung aufweist.

Operationsverstärker, die diese Eigenschaften kombinieren, sind kaum auf dem Markt erhältlich. Sie können sich jedoch einen derartigen Verstärker selbst aus zwei einzelnen Verstärkern zusammenstellen und einen sogenannten Composite Amplifier nutzen. Bei der Kombination der Operationsverstärker werden nur die jeweiligen positiven Eigenschaften genutzt. Somit lässt sich u.a. eine höhere Bandbreite erreichen, die mit einem einzelnen Verstärker bei identischem Verstärkungsverhältnis nicht möglich wäre.

Composite Amplifier: Der kombinierte Verstärker

Ein Composite Amplifier besteht aus einer Anordnung von zwei einzelnen Verstärkern mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften. Diese Anordnung wiederum kann als einzelner, kombinierter Verstärker betrachtet werden, bei dem die jeweiligen vorteilhaften Eigenschaften der einzelnen Verstärker gemeinsam wirken. Ein derartiger Composite Amplifier ist in Bild 1 zu sehen. Als Verstärker 1 wird ein rauscharmer Präzisionsverstärker eingesetzt (z.B. ADA4091-2). Verstärker 2 ist mit einer hoher Ausgangstreiberleistung ausgestattet (z.B. AD8397), der weitere Bausteine treibt.

Der Aufbau des kombinierten Verstärkers ähnelt einem nichtinvertierenden Verstärker, bei dem nach außen hin die beiden Widerstände R1 und R2 wirken. Die beiden in Reihe geschalteten Verstärker werden als ein einziger Verstärker betrachtet. Die Gesamtverstärkung (G) wird mit dem Widerstandsverhältnis G = 1 + R1/R2 eingestellt.

Eine Änderung des Widerstandsverhältnisses R3 zu R4 und damit die Verstärkung von Verstärker 2 (G2) beeinflusst ebenso die Verstärkung bzw. den Ausgangspegel von Verstärker 1 (G1), da die effektive Gesamtverstärkung durch R3 und R4 unverändert bleibt. Mit anderen Worten ausgedrückt: wird G2 geringer, erhöht sich G1.

Wie Sie die Bandbreite bei Operationsverstärkern erweitern

Eine weitere Eigenschaft einer Kombination zweier in Reihe geschalteter Operationsverstärker besteht in der größeren Bandbreite, die dadurch genutzt werden kann. Sie ist in Kombination größer als die des einzelnen Verstärkers. So kann beispielsweise bei zwei identischen Verstärkern mit jeweils einem Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt (GBWP) von 100 MHz bei einem Verstärkungsfaktor G = 1 bereits eine um ca. 27% höhere –3-dB-Bandbreite erreicht werden.

Mit zunehmender Verstärkung wird dieser Effekt noch deutlicher, bis ein Grenzwert erreicht wird. Wird dieser überschritten, kann es zu Instabilitäten kommen. Dies gilt auch für den Fall einer nicht gleichmäßigen Aufteilung der beiden Verstärkungsfaktoren.

Grundsätzlich ergibt sich bei gleichmäßiger Aufteilung der Verstärkung auf die beiden Verstärker die größtmögliche Bandbreite. Mit den oben genannten Werten (GBWP = 100 MHz, G2 = 3,16, G = 10) kann die –3-dB-Bandbreite um ca. 300% gegenüber einem einzelnen Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 10 erhöht werden.

Bild 2: Bandbreitenerweiterung durch den 
kombinierten Verstärker.
Bild 2: Bandbreitenerweiterung durch den 
kombinierten Verstärker. (Bild: ADI)

Die Erklärung ist relativ einfach. Bei gleichmäßig verteilter Verstärkung führt G2 auch zur gleichen effektiven Verstärkung von Verstärker 1. Die Open-Loop-Verstärkung jedes einzelnen Verstärkers ist dabei jedoch wesentlich höher. Durch einen geringeren Verstärkungsfaktor, beispielsweise von 40 auf 20 dB, arbeiten nun beide Verstärker im unteren Bereich auf der Open-Loop-Kurve (Bild 2). Hierdurch ergibt sich eine erhöhte Bandbreite bei einem kombinierten Verstärker.

Gleichstromgenauigkeit und Rauschen

In einer typischen Operationsverstärkerschaltung wird ein Teil des Ausgangs auf den invertierenden Eingang zurückgeführt. Somit lassen sich ausgangsseitige Fehler über den Rückkoppelpfad korrigieren und die Genauigkeit verbessern. Die Kombination, wie sie in Bild 1 zu sehen ist, bietet für Verstärker 2 zusätzlich einen separaten Rückkoppelpfad, obwohl er sich ebenso innerhalb des Rückkoppelpfades von Verstärker 1 befindet.

Der Ausgang der gesamten Anordnung enthält bei Verstärker 2 die größeren Fehler, die jedoch wieder auf Verstärker 1 zurückgeführt und korrigiert werden. Diese Korrektur führt dazu, dass die Genauigkeit von Verstärker 1 erhalten bleibt. Der Ausgangsoffset wiederum ist nur proportional zum Fehler des ersten Verstärkers und bleibt vom Offset des Zweiten unabhängig.

Ähnliches betrifft den Rauschanteil. Auch er wird über die Rückkopplung korrigiert, wobei sich Wechselstromsignale auch von der Bandbreitenreserve der beiden Verstärkerstufen abhängig sind. Solange die erste Verstärkerstufe genügend Bandbreite hat, korrigiert sie den Rauschanteil von Verstärker 2. Bis dahin dominiert dessen Ausgangsrauschdichte. Wird die Bandbreite von Verstärker 1 allerdings überschritten, überwiegt der Rauschanteil des zweiten Verstärkers.

Problematisch wird es, wenn Verstärker 1 eine zu hohe bzw. viel höhere Bandbreite aufweist als Verstärker 2. Dies kann zu einem zusätzlichen Rauschpeak führen, der am Ausgang des kombinierten Verstärkers erkennbar ist.

Fazit: Durch eine Kombination zweier in Reihe geschalteter Verstärker lassen sich die jeweils besten Eigenschaften dieser vereinen und somit Verstärkereigenschaften erzielen, die mit einzelnen Operationsverstärkern nicht erreichbar sind, beispielsweise ein hochpräziser Verstärker mit hoher Ausgangsleistung und einer erhöhten Bandbreite. Exemplarisch bietet die in Bild 1 dargestellte Schaltung mit dem Rail-to-Rail-Verstärker AD8397 (–3-dB-Bandbreite = 69 MHz) und dem Präzisionsverstärker ADA4091-2 (–3-dB-Bandbreite = 1,2 MHz) in Kombination eine um mehr als das Doppelte erhöhte Bandbreite (bei G = 10). Es gilt jedoch bei der Entwicklung immer auch die Stabilität des Systems durch eine korrekte Verstärkeranordnung im Auge zu behalten. Werden diese Kriterien beachtet, lässt sich mit Composite Amplifiern ein sehr breites Spektrum anspruchsvoller Anwendungen abdecken.

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

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