Analogtipp Signalkettenfehler mit Chopper-Verstärkern kompensieren

Autor / Redakteur: Evan Sawyer * / Kristin Rinortner

Offset-Fehler in der analogen Signalkette können zur Herausforderung bei Platz und Bauteileaufwand werden. Sparen können Sie sich den Aufwand durch einen Chopper-Verstärker. Wie das geht, zeigt dieser Analogtipp.

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Präzisions-Signalketten: Die Herausforderungen Offset-Drift und Einschwingverhalten am Eingang des A/D-Wandlers in den Griff bekommen.
Präzisions-Signalketten: Die Herausforderungen Offset-Drift und Einschwingverhalten am Eingang des A/D-Wandlers in den Griff bekommen.
(Bild: VCG)

Als Chopper-Verstärker bezeichnet man eine bestimmte Art von Zero-Drift-Operationsverstärkern, die dank ihres inneren Aufbaus eine sehr niedrige Offsetspannung aufweisen. Nullpunktfehler, Drift, Gleichtaktunterdrückung (CMMR), Netzstörunterdrückung (PSRR) und Leerlauf-Spannungsverstärkung (Aol) sind deshalb sehr gering.

Ein weiterer Vorteil der Topologie mit Chopper-Verstärkern ist das flach verlaufende 1/f-Rauschen und Flicker-Rauschen. Chopper-Verstärker eignen sich folglich hervorragend für Anwendungen, die von DC bis in den zweistelligen Kilohertz-Bereich nach hoher Genauigkeit verlangen.

Eine Herausforderung beim Design präziser Signalketten ist das Minimieren der vom ADC-Treiber und vom Referenz-Puffer hervorgerufenen Offset-Fehler. Das Kalibrieren der Offset-Spannungsdrift bei der Produktion ist jedoch schwierig und teuer, da hierfür entweder die Systemtemperatur variiert oder eine Kalibrierschleife hinzugefügt werden muss, was den Platzbedarf und den Bauteileaufwand erhöht.

Sparen können Sie sich diesen Aufwand durch einen Chopper-Verstärker, dessen Offset-Drift prinzipbedingt gering ist.

Chopper-Verstärker und Seebeck-Effekt

Leider steht der neuen Generation von Chopper-Verstärkern der Seebeck-Effekt im Weg, der sie daran hindert, bei der Offset-Drift noch bessere Werte zu erreichen. Unter dem Seebeck-Effekt versteht man die Entstehung eines elektrischen Potenzials durch ein Temperaturgefälle in einer elektrischen Schaltung.

In einem Verstärker, der sich während des Betriebs erwärmt, kommt es naturgemäß zu einem solchen Gefälle zur Umgebungstemperatur. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn entlang des Signalpfads von den externen Pins bis zum Verstärkerkern unterschiedliche Metalle eingesetzt werden.

Bild 1: Vergleich der Offsetdrift des OPA2182 und des OPA2140 (lasergetrimmt).
Bild 1: Vergleich der Offsetdrift des OPA2182 und des OPA2140 (lasergetrimmt).
(Bild: Texas Instruments)

In Anbetracht dieser Einschränkungen hat Texas Instruments umfangreiche Experimente mit verschiedenen Werkstoffen durchgeführt und fand eine Materialkombination, die in den Baustein OPA2182 eingeflossen ist, der über den vollen Temperaturbereich von –40 bis 125 °C eine maximale Offset-Drift von 12 nV/°C aufweist. In Bild 1 ist die Offset-Drift des OPA2182 der des OPA2140 (ohne Chopper-Architektur) gegenübergestellt.

Einschwingverhalten am Eingang des A/D-Wandlers

Eine weitere Herausforderung beim Design von Präzisions-Signalketten besteht darin, für ein schnelles und präzises Einschwingen des Signals am Eingang des A/D-Wandlers zu sorgen. Besonders schwierig ist dies, wenn sich zur Platz- und Kostenersparnis ein Multiplexer am Beginn der Signalkette befindet.

Hier kann sich das Eingangssignal des ADC-Treibers sprunghaft ändern, wenn von einem Kanal zum anderen umgeschaltet wird. Bei vielen Verstärkern befinden sich zu Schutzzwecken antiparallele Dioden zwischen den Eingängen, weshalb bei einem sprungförmigen Eingangssignal ein Strom von einem Eingang zum anderen fließen kann. Dieser Strom fließt durch den Multiplexer und die Signalquelle und bewirkt ein verzögertes Einschwingverhalten.

Bild 2: Vergleich der Einschwingzeit zwischen Multiplexer-freundlichem und klassischem Eingang.
Bild 2: Vergleich der Einschwingzeit zwischen Multiplexer-freundlichem und klassischem Eingang.
(Bild: Texas Instruments)

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wurden Bausteine wie der OPA2182 mit Multiplexer-freundlichen Eingängen versehen. Man verzichtet hier auf antiparallele Dioden, sodass keine unerwünschten Ströme zwischen Signalquelle und Multiplexer fließen. Bild 2 vergleicht die Einschwingzeit der MUX-freundlichen Eingänge mit der einer klassischen Eingangsstufe.

Fazit: Mit ihrer verbesserten Offset-Drift und ihren Multiplexer-freundlichen Eingängen vereinfachen Chopper-Verstärker wie der OPA2182 das Design präziser Signalketten deutlich.

* Evan Sawyer arbeitet als Product Marketing Engineer SAR ADC bei Texas Instruments in Tucson / USA.

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