Analogtipp Bipolare Operationsverstärker mit geringer Offsetspannung und Offsetdrift

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Bipolare Operationsverstärker bieten viele Vorteile. Sie kommen aber für den Einsatz mit hochohmigen Sensoren nicht in Frage. Abhilfe schaffen hier Super-Beta-Transistoren und eine spezielle Trim-Technik, die den Offset verringern.

Wenn hohe Anforderungen an die Genauigkeit und Effizienz gestellt werden, haben bipolare Operationsverstärker klare Vorteile. Neue Bausteine wie der OPA2206 kommen mit einer Offsetspannung von 2 µV und einer Offsetdrift von 0,04 µV/°C schon fast an die Werte von chopperstabilisierten Zero-Drift-Operationsverstärker heran.

Nachteilig an bipolaren Operationsverstärkern sind ihr hoher Eingangsruhestrom, ihre relativ geringe Eingangsimpedanz und ihre hohe Stromrauschdichte. Für die Verwendung mit hochohmigen Sensoren kommen sie deshalb nicht in Frage.

Mittlerweile ist es den Ingenieuren mit exakt angepassten, sogenannten Super-Beta-Transistoren und der Technik e-trim gelungen, bipolare Operationsverstärker mit sehr geringen Werten in punkto Offsetspannung und Offsetdrift herzustellen.

Super-Beta-Transistoren

Super-Beta-Transistoren sind für eine hohe Stromverstärkung (β > 1000) optimiert, wodurch der Eingangsvorspannungsstrom und die Drift des Eingangsvorspannungsstroms über die Temperatur reduziert werden.

Die e-trim-Technik verbessert die besonders in industriellen Anwendungen wichtige Langzeitstabilität, und bei Super-Beta-Transistoren sind der Eingangsruhestrom und die Stromrauschdichte sehr gering.

Verdeutlichen lässt sich dies am Beispiel des Präzisions-CMOS-Operationsverstärkers OPAx192, dessen Eingangsruhestrom bei 25°C max. 20 pA, bei 125°C aber bereits 5 nA beträgt. Der bipolare Super-Beta-Operationsverstärker OPA2205 mit e-trim-Technik dagegen weist bei 125 °C einen Eingangsruhestrom von nur ±1,2 nA auf – eine entscheidende Verbesserung für Anwendungen mit extremen Temperaturanforderungen. In den Bildern 1 und 2 ist der Eingangsruhestrom als Funktion der Temperatur für den OPAx192 bzw. den OPA2205 dargestellt.

Problem hohe Stromaufnahme

Eine problematische Eigenschaft rauscharmer Operationsverstärkers ist ihre tendenziell hohe Stromaufnahme. Der Grund hierfür ist, dass das Rauschen umgekehrt proportional zur Ruhestromaufnahme (I_Q). Ein präziser, stromsparender CMOS-Operationsverstärker mit einem I_Q-Wert von 200 µA weist eine Spannungsrauschdichte von etwa 15 nV/√Hz auf, während es bei einem bipolaren Operationsverstärker wie dem OPA2205 ungefähr 7 nV/√ bei einem I_Q von lediglich 250 µA sind.

Geringe Bandbreite: Bipolar oder Zero-Drift?

In Anwendungen mit geringer Bandbreite oder nur langsam veränderlichen Signalen (z. B. Temperaturüberwachung oder Temperaturregelung), aber auch in speicherprogrammierbaren Steuerungen und analogen Eingangsmodulen mit ihren vielen Kanälen, muss auch auf das niederfrequente Rauschen (1/f-Komponente) geachtet werden.

In solchen Applikationen sind bipolare Operationsverstärker sehr verbreitet, da das 1/f-Rauschen bei ihnen um etwa eine Größenordnung geringer ist als bei Operationsverstärkern mit CMOS- oder JFET-Eingang.

Zero-Drift-Operationsverstärker eignen sich bestens zur Eindämmung des 1/f-Rauschens, aber ihr Breitbandrauschen bei niedrigen Frequenzen ist deutlich höher als bei bipolaren Operationsverstärkern mit gleichem I_Q-Wert.

Ihre Eingangsruheströme sind indes trotz ihrer CMOS-Architektur meist deutlich höher und machen eine Impedanzanpassung erforderlich. Bei gleichem I_Q-Wert weisen bipolare Operationsverstärker also mehr Bandbreite und weniger Grundrauschen auf.

* Soufiane Bendaoud ist Business Development Manager Precision Amplifiers bei Texas Instruments in San Francisco / USA.

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