Tool-Tipp Dimensionierung differenzieller Operationsverstärker

In der Signalverarbeitung gehört es zum täglichen Geschäft, einen Operationsverstärker als Treiber für den A/D-Wandler zu beschalten. Hierbei können einige Fallstricke auftreten, die auf den ersten Blick nicht sichtbar sind. Wir zeigen, wie man damit umgeht.

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Analog Devices

Nutzt man einen Operationsverstärkers als Treiber für einen A/D-Wandler sind einige Punkte zu beachten. Zu den Fallstricken gehören die verschiedenen Spannungspegel am Operationsverstärker, die Verlustleistung und die verschiedenen Quellen für das Rauschen.

Um diese Berechnung zu vereinfachen und einige Parameter sichtbar zu machen, gibt es von Analog Devices das Werkzeug ADI DiffAmpCalc. Diese Software hat eine Größe von ca. 2 MByte und kann bei Analog Devices auf der Website heruntergeladen werden. Mit dem Tool lassen sich verschiedene Eingangs- und Ausgangstopologien betrachten, sowie der Signal-Rausch-Abstand (SNR) bewerten.

Folgende Aufgabenstellung wurde in Bild 1 realisiert: Das Eingangssignal ist massebezogen (Single Ended), hat eine Amplitude von ±5 V und eine maximale Frequenz von 900 kHz. Dieses Signal soll auf einem A/D-Wandler mit differenziellem Eingang gewandelt werden.

Der erlaubte Eingangsbereich beträgt ±4,096 V, die absolute Eingangsspannung darf sich zwischen –0,1 und 4,196 V bewegen. Der Eingangswiderstand des A/D-Wandlers AD7982 ist mit 400 Ω angegeben.

ADC und Operationsverstärker sollen unipolar versorgt werden, die maximale Verlustleistung soll 30 mW nicht überschreiten, bei optimaler Leistungsfähigkeit der Schaltung.

Auswahl des Operationsverstärkers

Der erste Schritt zur Umsetzung besteht in der Auswahl des Operationsverstärkers. Die Auswahl erfolgt über eine Tabelle im Symbol des Operationsverstärkers im Programm, die über ein sogenanntes Drop-Down-Feld neben der Bauteilbezeichnung aufgerufen wird. Hier sind alle wichtigen Parameter wie Versorgungsspannung, Ein- und Ausgangsspannung und Bandbreite aufgeführt.

Für unsere Anforderungen ist der ADA4940 ein geeigneter Kandidat, da er einen geringen Stromverbrauch, geeignete Spannungsbereiche und eine entsprechende Bandbreite besitzt.

Jetzt wird die Eingangstopologie auf Single Ended gestellt, die Amplitude der Signalspannung (U_{s pp}) auf 10 V mit einem Offset von 0 V – damit haben wir ±5 V am Eingang anliegen, wie auch der Eingangssignalverlauf anzeigt.

Der Bereich mit schwarzem Hintergrund zeigt hierbei die Versorgungsspannung des Verstärkers an, U_CC ist auf 5 V und U_EE auf 0 V oder GND eingestellt.

Um den Eingangsbereich des A/D-Wandlers optimal auszunutzen, wird mit einer Verstärkung von 0,8 gearbeitet. Durch diese Auswahl werden die Widerstandspaare Rf und Rg voreingestellt, eine Optimierung kann durch Änderung von Rg erfolgen. Als Ausgangstopologie wird Differential gewählt, die Last (R_Ldiff) wird mit 400 Ω entsprechend der Vorgabe des ADC-Datenblatts eingetragen.

Das Programm warnt zu jeder Zeit, wenn Spannungen an mindestens einem Knoten der Schaltung unzulässige Werte annehmen oder nicht optimale Widerstandswerte gewählt wurden. Das ist u.a. der Fall, wenn die Spannung U_com nicht so eingestellt ist, dass sich die Ausgangsspannungen (rote und blaue Kennlinie) innerhalb des Bereiches mit schwarzem Hintergrund befinden. Die Spannungen der einzelnen Knoten werden als Zahlenwert und als Diagramm dargestellt.

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