CMOS-Operationsverstärker Kleiner Ruhestrom, geringes Rauschen, hohe Präzision

Vorteile wie höhere Geschwindigkeit, niedrigerer Stromverbrauch und geringere Kosten von CMOS-Prozessen haben bipolare digitale Bauteile in Abseits gedrängt. Im Gegensatz dazu basieren die meisten Hochleistungsoperationsverstärker noch immer auf bipolaren Prozessen, die bei nur wenigen Nachteilen viele Vorteile bieten. Ein spezielles Schaltungsdesign ermöglicht allerdings auch hier günstige CMOS-OPVs.

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Das wichtigste Argument für CMOS-Präzisionsverstärker ist der niedrige Eingangsruhestrom (IB). Bipolare Transistoren sind stromgesteuerte Bauteile. Ein Ruhestrom ist daher in einem bipolaren Operationsverstärker unumgänglich. Da MOSFETs spannungsgesteuert sind, hat ein CMOS-Operationsverstärker praktisch keinen Eingangsruhestrom. Tatsächlich beruht die IB-Spezifikation eines Operationsverstärkers eher auf dem Leckstrom von Eingangsschutzdioden als dem Gate-Strom der Eingangstransistoren selbst. In Anwendungen mit Signalquellen hoher Impedanz kann der Eingangsruhestrom die größte Einzelfehlerquelle in der Signalkette sein.

Rauschen und Baugruppenabstimmung sind die Schwachstellen des CMOS-Prozess. Ein neues Design und die Verfahrenstechniken von Linear Technology vereinen die Vorteile kleiner Offsets und geringen Rauschens von bipolaren Verstärkern mit dem niedrigen Eingangsruhestrom von CMOS-Eingängen. Auf dem Markt sind zwei Verstärkerfamilien, bei denen diese Schwachstellen behoben sind, wodurch die Stromaufnahme reduziert und das Leistungsverhalten für Niederstrom- und Telekommunikationsanwendungen optimiert ist.

Kleiner Offset und niedriger Eingangsruhestrom

Dank spezieller Trimmschaltungen weisen der LTC6078 (Dual) und der LTC6079 (Quad) eine VOS von maximal 25 μV bei einer VOS-Drift von 0,7 μV/°C auf. Diese VOS-Leistung ist ebenso gut wie bei einigen chopper-stabilisierten Verstärkern und den besten bipolaren Verstärkern, wobei der Eingangsruhestrom bei 25 °C jedoch max. 1 pA beträgt, wozu nur ein CMOS-Verstärker imstande ist (Bild 1). Diese Eingangsspezifikationen des LTC6078 und des LTC6079 erweitern in Kombination mit einem Stromverbrauch von max. 54 μA pro Verstärker bei einer Betriebsspannung von 2,7 V die Fähigkeiten von leistungskritischen Systemen.

Geringes Rauschen und niedriger Ruhestrom

CMOS-Transistoren erzeugen systembedingt mehr Niederfrequenzrauschen (1/f) als bipolare Transistoren vergleichbarer Größe. Der 1/f-Rauschpegel kann bei bipolaren Verstärkern um Größenordnungen niedriger sein. Folglich sind bipolare Verstärker bei Anwendungen mit geringem Rauschen üblicherweise die erste Wahl. Für einige rauscharme Anwendungen ist jedoch auch der niedrige Eingangsruhestrom erforderlich, den nur ein CMOS-Verstärker bieten kann.

Um das wesentlich höhere 1/f-Rauschen von CMOS-Transistoren zu reduzieren, ist eine größere Transistorfläche erforderlich. Durch die Flächenvergrößerung erhöht sich jedoch auch die Gate-Kapazität, was eine Erhöhung der Eingangskapazität eines CMOS-Operationsverstärkers zur Folge hat. Eine von Null abweichende Eingangskapazität bedeutet, dass die Eingangsimpedanz bei höheren Frequenzen weit entfernt von den idealen Voraussetzungen ist.

Der Rauschgewinn eines Operationsverstärkers wird durch die Formel Vout = Vnoise*(1 + Zf/Zi) bestimmt, wobei Zi die Eingangsimpedanz des Verstärkers wie auch den diskreten Eingangswiderstand beinhaltet. Ein Verstärker mit großen Eingangswiderständen kann geringes Rauschen aufweisen, doch eine hohe Eingangskapazität bewirkt einen hohen Rauschgewinn. Somit wird eine Reduzierung des 1/f-Rauschens lediglich gegen eine Erhöhung des Breitbandrauschinhalts am Ausgang eingetauscht.

Eingangskapazitäten von 3,5 pF

Der LTC6240 (Single), der LTC6241 (Dual) und der LTC6242 (Quad) haben sehr große Eingangsbausteine um das 1/f-Rauschen auf 550 nVp-p zu reduzieren – ein Wert, der dem eines guten rauscharmen bipolaren Verstärkers gleichkommt. Obwohl man bei solch großen Eingangsstrukturen eine hohe Eingangskapazität erwarten würde, bedient sich die Familie LTC6240 einer so genannten Kapazitätsauflösungstechnik, woraus sich eine Gesamteingangskapazität von 3,5 pF ergibt. Das ist ein Drittel der Eingangskapazität vergleichbarer CMOS-Operationsverstärker.

In Bild 2 werden die Vorteile dieser Designtechnik mit der anderer rauscharmer CMOS-Operationsverstärker verglichen, die nicht mit Kapazitätsauflösungsschaltungen arbeiten. Die Kombination der Leistungsfähigkeit des LTC6241 mit Rauschwerten, die mit denen guter bipolarer Verstärker vergleichbar ist, und mit einem Ruhestrom von 1 pA verbessert die Leistungsfähigkeit von rauscharmen Fotodiodenverstärkern und Sensoranwendungen mit hoher Impedanz wesentlich.

CMOS-Verstärker für Hochfrequenzanwendungen

Mit der Einführung des LTC6244 wird die Familie rauscharmer CMOS-Verstärker um Hochfrequenzanwendungen erweitert. Dieser 50-MHz-Verstärker weist ebenfalls eine Gesamteingangskapazität von 5,6 pF auf, damit der Rauschgewinn gering bleibt, und bietet eine gute DC-Eingangsleistung. Diese Kombination von Leistungsmerkmalen ist für viele Signal Conditioning-Anwendungen mit Breitbandsensoren wichtig. Für Sensoren mit hoher Impedanz wie beispielsweise SONAR-Empfänger und LVDTs benötigt man einen niedrigen Ruhestrom und ein geringes Rauschen.

*Brian Black ist Produkt-Marketing-Ingenieur Signal Conditioning-Produkte bei Linear Technology Corp. in Milpitas (USA).

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