Analogtipp Diskrete und integrierte Differenzverstärker im Vergleich

Bei Differenzverstärker-Anwendungen unterscheidet man zwischen diskreten und integrierten Versionen. Während erstere aus einem Operationsverstärker und externen Widerständen bestehen, sind die Widerstände bei letzterem monolithisch in den Chip integriert. Welche Vorteile bieten die jeweiligen Varianten?

Ein typischer Differenzverstärker enthält vier Widerstände (Bild 1). Unter der Annahme, dass R1 = R3 und R2 = R4, bestimmt das Verhältnis zwischen R2 und R1 den Verstärkungsfaktor. Man benötigt angepasste Widerstände, denn bereits bei einer Toleranz von 1 % kann sich ein Verstärkungsfehler von 2 % einstellen. Hier sind integrierte Differenzverstärker mit ihren monolithisch integrierten Widerständen vorteilhaft, mit denen sich Verstärkungsfehler von 0,01 % realisieren lassen.

Wichtig ist ebenfalls die Temperaturdrift des Verstärkungsfaktors. Die externen Widerstände einer diskreten Implementierung sind unterschiedlichen Temperaturänderungen ausgesetzt, während sich die Dünnfilmwiderstände beispielsweise des DA INA600 mit im Gehäuse befinden. Da ihre Temperatur deshalb stets gleich ist, bleiben die Widerstandsverhältnisse und damit der Verstärkungsfaktor unverändert.

Eine weitere wichtige Größe ist die Offsetspannung. Bei einer diskreten Lösung kann der Operationsverstärker gezielt mit Blick auf diesen Parameter ausgewählt werden, während die Offsetspannung eines integrierten Differenzverstärkers vom internen OPV abhängt. Mithilfe der e-Trim-Technik lässt sich jedoch auch die Offsetspannung integrierter Differenzverstärker reduzieren.

Gleichtaktunterdrückung und Verstärkungsfaktor

Beim Messen von Spannungen und Strömen spielt die Gleichtaktunterdrückung (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR) eines Differenzverstärkers, die ebenfalls durch die Anpassung der Bauelemente bestimmt wird, eine wichtige Rolle. Der beispielsweise 100 dB betragende CMRR-Wert eines OPV kann sich durch unzureichend angepasste Widerstände bis auf 60 dB reduzieren. Ein integrierter Differenzverstärker dagegen kommt auf Werte zwischen 90 dB und 130 dB.

Differenzverstärker haben üblicherweise einen Verstärkungsfaktor von 1, aber durch Ändern der Werte der Widerstandsnetzwerke lässt sich ein breites Spektrum an Verstärkungsfaktoren erreichen. Einige Anwendungen erfordern möglicherweise eine stärkere Abschwächung, um die Spannung auf den Eingangsspannungsbereich des jeweiligen A/D-Wandlers herabzuskalieren.

Signale außerhalb des Versorgungsspannungsbereichs

Ein häufig übersehener Vorteil von Differenzverstärkern ist ihre Fähigkeit, Signale außerhalb ihres Versorgungsspannungsbereichs zu verarbeiten. Da die Widerstandsketten die Eingangsspannungen des Differenzverstärker herabdividieren, gelangt nur die abgeschwächte Spannung an Eingang des integrierten Verstärkers.

Während der Gleichtaktbereich bei Standard-Operationsverstärkern durch die Versorgungsspannung begrenzt wird, eignen sich Differenzverstärker auch zum Überwachen höherer Spannungen.

In Systemen mit höherer Leistungsdichte können hohe Schaltfrequenzen und die parasitären Induktivitäten der Leiterbahnen zusätzliche Spannungsschwankungen verursachen. Während ein integrierter Differenzverstärker mit seinem hohen CMRR jegliches Gleichtaktrauschen an den Eingängen eliminiert, ist es bei einem diskreten Differenzverstärker mit externen Widerständen schwierig, einen hohen CMRR-Wert zu erreichen.

Dies gilt insbesondere bei höheren Verstärkungen, da die Widerstände hier nur geringfügige Fehlanpassungen aufweisen dürfen.

Gleichtaktunterdrückung, Verstärkungsfehler und Verstärkungsdrift im Vergleich

Zu Vergleichszwecken durchgeführte Messungen ergaben, dass integrierte Differenzverstärker in Bezug auf CMRR, Verstärkungsfehler und Verstärkungsdrift deutlich besser abschnitten als diskrete Lösungen. Lediglich bei der Offsetspannung erwies sich ein integrierter Differenzverstärker als unterlegen, was jedoch durch Softwarekalibrierung kompensierbar ist.

Bild 2 verdeutlicht das einfachere Layout und den geringeren Platzbedarf der integrierten Lösungen.

Insgesamt überzeugen integrierte Differenzverstärker durch Vorteile, die mit diskreten Implementierungen nicht erreichbar sind. Durch die Versorgungsspannung bedingte Eingangsspannungs-Einschränkungen kommen bei integrierten Differenzverstärker wie dem INA600 nicht zum Tragen, und auch die Überwachung von Spannungen oberhalb der Versorgungsspannung ist möglich. (kr)

* Esteban Garcia ist Produktmarketing-Ingenieur bei Texas Instruments in Dallas/USA. Jacob Nogaj arbeitet als Applikationsingenieur bei Texas Instruments in Dallas/USA.

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