Operationsverstärker als Präzisionsbegrenzer

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Operationsverstärker mit oder ohne Diode?

Festzustellen, ob ein Operationsverstärker über diese Dioden verfügt, ist oft nicht einfach. Einige Datenblätter zeigen diese Eingangsdioden, andere nicht. Ein Hinweis, ob solche Dioden vorhanden sind, kann sein, dass der Eingangsstrom in der Sektion „Absolute Maximum Ratings“ wenige mA zeigt.

Zusätzlich soll der Ausgang des Operationsverstärkers so schnell wie möglich vom ungeklemmten Zustand in den geklemmten Zustand ansteigen, um ein Überschwingen schnell ansteigender Signale zu verhindern. Darüber hinaus sind Rail-to-Rail-Eingänge und -Ausgänge des Operationsverstärkers notwendig, was einen Betrieb nahe der Spannung der Versorgungsschienen zulässt.

Die Operationsverstärker-Familie LT6015, welche den LT6016 (Doppel) und LT6017 (Vierfach) einschließt, weisen einen Rail-to-Rail-Eingang und -Ausgang auf. Sie haben keine Dioden an den Eingängen, so ermöglichen sie Differenzspannungen von ±80 V, daraus ergeben sich für praktische jede ADC-Applikation keine Begrenzungen. Darüber hinaus kann die Eingangsspannung bis zu 80 V über bzw. 25 V unter der Versorgungsschiene liegen, was ein Überleben des Bauteils bei höheren Spannungen sicherstellt.

Einzig beim LT6015 ist der Versorgungsspannungsbereich von 60 V für V+ zu V- definiert, damit kann diese Schaltung höhere Spannungen klemmen als die Mehrheit aller Operationsverstärker. Außerdem hat der LT6015 eine Anstiegsrate von 0,75 V/µs, was das Klemmen schnell ansteigender Signale ermöglicht. Die typische Offsetspannung unter 100 µV stellt sicher, dass der Klemmpegel sehr akkurat eingehalten wird.

Bild 2 zeigt den LT6105 betrieben an ±10 V. Er klemmt ein Sinussignal von 1 kHz von 7 V_pk-pk auf 0 und 4 V. Die Klemmaktion ist nicht leicht zu erkennen, zoomt man aber den Ausgang, kann man einen kleinen Überschwinger erkennen (Bild 3). Erhöht man die Eingangsfrequenz auf 30 kHz, kann man in Bild 4 klar erkennen, dass in weniger als 10 µs geklemmt wird, was die Betriebsbandbreite der Schaltung auf einige kHz begrenzt.

Schaltungsgeschwindigkeit durch Begrenzer erhöhen

Die Geschwindigkeit der Klemmschaltung kann durch Begrenzung der Versorgungsschienenspannung auf Werte nahe der Klemmspannung erhöht werden, was auch den Spannungsbereich verringert, auf den der Ausgang ansteigen muss, um in den Klemmbetrieb zu gehen. Da der Ausgang des LT6105 nahe bis zur Railspannung gehen kann, ist ein kleiner extra Spannungsbereich erforderlich.

Eine weitere Begrenzung der Schaltung ergibt sich durch den Ausgangswiderstand, der durch R 1 bestimmt wird und der mindestens einige hundert Ohm betragen muss, um den Strom am Ausgang des Operationsverstärkers zu begrenzen. Einige A/D-Wandler müssen mit niedrigem Widerstand angesteuert werden, deshalb wird ein Pufferverstärker U3 benötigt. Die Vierfachversion des LT6017 bietet in einem Bauteil alle diese Funktionen.

* Thomas Mosteller arbeitet als Field Applications Engineer bei Linear Technology in Milpitas / USA.

* Aaron Schultz arbeitet als Applications Manager bei Linear Technology in Milpitas / USA.

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