Die Vorteile der indirekten Stromgegenkopplung

Anbieter zum Thema

Schulz-Electronic GmbH

Bicker Elektronik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Maxim Integrated Products GmbH

Vor- und Nachteile der Operationsverstärker-Grundschaltungen

Besonderheiten, Vorzüge, Anwendungs- und Bauteilbeispiele der vier verschiedenen Operationsverstärker-Grundschaltungen sind in der Tabelle unter Angabe der möglichen Gegenkopplung aufgelistet.

Allen Grundschaltungen ist gemeinsam, dass die Gegenkopplung die Eingänge mit Widerständen belastet. Sollen Spannungen gemessen werden, darf in den Verstärkereingang kein nennenswerter Strom fließen. Dies lässt sich erreichen, wenn vor den Differenzverstärker zusätzliche Spannungsfolger (Puffer) oder Verstärker geschaltet werden.

Potenzialdifferenzen, die zwischen den Rails der Versorgungsspannung liegen, lassen sich mit Instrumentenverstärkern auf die gewünschte Ausgangsspannung bringen. Sie sind als fertig aufgebaute integrierte Schaltungen erhältlich und bestehen aus drei zusammengeschalteten Verstärkern. Auch hier kommen intern direkte Spannungs- und Stromgegenkopplung zum Einsatz.

Instrumentenverstärker, wie in Bild 2 gezeigt, werden schon seit langer Zeit für Anwendungen eingesetzt, die hohe Präzision, Verstärkung und Gleichtaktunterdrückung erfordern. Zu den Einsatzbereichen gehören die Verstärkung von Spannungsdifferenzen in Brückenschaltungen (Dehnungsmessstreifen, Piezoelemente, Thermosensoren), das Messen kleinster bipolarer Spannungspotenziale im medizintechnischen Bereich oder das Ermitteln von Spannungsabfällen an Strommesswiderständen.

Wer bereits Schaltungen mit Instrumentenverstärkern aufgebaut und sie mit unipolarer Spannung versorgt hat – wie heute meistens gewünscht und üblich – kennt die damit verbundenen Einschränkungen: der Eingangsspannungsbereich ist eingeengt und die Verstärker übersteuern leicht. Grundsätzlich ließe sich das Problem mit Rail-to-Rail Verstärkern lösen, doch treten dann andere unerwünschte Effekte auf.

Limitierungen bei Rail-to-Rail Eingangsstufen

Rail-to-Rail Eingangsstufen sind besonders schwer zu entwerfen, wenn eine hohe Genauigkeit gefordert wird. Der Übergang vom Betrieb bei VCC-naher Gleichtaktspannung zum Betrieb bei Masse-naher Gleichtaktspannung kann niemals perfekt sein, da während dieses Übergangs Offsetspannungen zwischen den N- und den P-Typ-Paaren in der differenziellen Eingangsstufe auftreten können.

Eine niedrige Offsetspannung (VOS) und ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) sind die entscheidenden Spezifikationen für einen gut konstruierten Präzisionsinstrumentenverstärker. Weil CMMR = ΔVOS / ΔVCM ist, bewirkt eine Änderung bei VOS beim Übergang von einem Gleichtaktbereich zum anderen eine massive Verschlechterung der CMRR-Werte.

Deshalb werden die meisten Präzisionsinstrumentenverstärker als Typen ohne Rail-to-Rail Eingänge entwickelt, auch wenn sie noch die negative Versorgungsspannung (0 V) als Gleichtakt-Eingangsspannung erlauben. Wenn der Präzisionsverstärker nur mit Rail-to-Rail Ausgängen versehen ist, kann das Ausgangssignal nie die Spannungsrails erreichen, sondern der Aussteuerbereich reduziert sich wie in Bild 2 gezeigt.

(ID:285531)