Analogtipp Verstärker-Offset liegt weit daneben – was tun?

Um für die Schaltung den passenden Operationsverstärker auszusuchen benötigt man Zeit und Erfahrung. Trotz aller Sorgfalt liegt die Offsetspannung oft doch weit über den Datenblattwerten. Der Tipp erläutert den Einfluss von Eingangs-Bias- und -Leckströmen.

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Texas Instruments Deutschland GmbH

Haben Sie auch schon einmal viel Zeit investiert, um für eine geplante Schaltung den perfekten Operationsverstärker auszusuchen? Und mussten Sie dann feststellen, dass die Offsetspannung am im Datenblatt angegebenen Eingang über dem erwarteten Wert liegt? Und zwar weit darüber – in Ihrer Anwendungsschaltung beträgt er mehr als das Zehnfache als im Datenblatt angegeben!

Was soll man also tun? Schicken Sie den Baustein zur Fehleranalyse an den Hersteller zurück oder suchen Sie einen anderen Verstärker für Ihre Schaltung aus? Als Alternative würde ich vorschlagen, nach einer Erklärung für den Offsetfehler zu suchen und sich dazu die Spezifikationen des Verstärkers noch einmal genau anzusehen.

Wenn Sie Ihren Verstärker als Schlüsselkomponente in einem Transimpedanzverstärker, einem Analogfilter, einer Sample-and-Hold-Schaltung, einem Integrator, einem kapazitiven Wandler oder einer beliebigen anderen Schaltung einsetzen, in der er mit hochohmigen Bauelementen beschaltet ist, kann es nämlich sein, dass der Eingangs-Biasstrom des Verstärkers über die Widerstände in der Schaltung einen Offsetfehler verursacht. Der Begriff „Eingangs-Biasstrom“ wurde zu Zeiten der Bipolarverstärker geprägt und dient auch heute noch zur exakten Beschreibung des Betriebsverhaltens von Operationsverstärkern.

Die Bedeutung des Eingangs-Biasstroms

Der Eingangs-Biasstrom eines Bipolarverstärkers ist dasselbe wie der Basisstrom der NPN- und PNP-Transistoren am Eingang des Verstärkers. Der Betrag des Eingangs-Biasstroms eines Bipolarverstärkers reicht von einigen nA bei „Low-Power“-Operationsverstärkern bis zu mehreren hundert nA bei Operationsverstärkern mit größeren Leistungen bei 25 °C.

Bei Verstärkern mit JFET- oder CMOS-Eingängen verliert der Begriff „Eingangs-Biasstrom“ allerdings seine Bedeutung. Bei Verstärkern dieser Art ist der Strom von bzw. zu den Eingangspins der Leckstrom von den eingangsseitigen ESD-Zellen (Bild 1).

Eine Größe, die diesen Fehlerstrom genauer beschreibt, ist der Eingangsleckstrom. Der Betrag des Leckstroms von JFET- oder CMOS-Verstärkern liegt bei 25 °C im Sub-Picoampèrebereich. Diese Spezifikation ist von der Gleichtaktspannung und der Leistung des Verstärkers unabhängig.

Fast alle Verstärker verfügen über ESD-Zellen zum Schutz gegen elektrostatische Entladungen, aber bei Bipolarverstärkern wird niemals ein ESD-Leckstrom in Erscheinung treten. Der Leckstrom von den ESD-Zellen liegt in der Größenordnung von Picoampère und ist damit gegenüber dem Eingangs-Biasstrom vernachlässigbar.

Der Eingangs-Biasstrom und der Eingangsleckstrom können sich mit der Temperatur ändern. Allerdings kann der Eingangs-Biasstrom von Bipolarverstärkern je nach Aufbau des Operationsverstärkers recht stabil sein.

Eingangsleckstrom bei JFET- und CMOS-Verstärkern

Anders sind die Verhältnisse bei Verstärkern mit JFET- und CMOS-Eingängen. Da der Leckstrom aus den in Sperrrichtung betriebenen ESD-Dioden stammt, erhöht er sich pro 10 °C Temperaturänderung etwa um das Doppelte.

Wenn man den Eingangsleckstrom bei JFET- und CMOS-Verstärkern niedrig halten will, muss man wissen, wie sich das Leiterplattenlayout auf die im Picoampèrebereich liegenden Ströme auswirkt. So erhöhen beispielsweise schon wenige Staub-, Öl- oder Wassermoleküle den Leckstrom, der sich dann wie ein Eingangs-Biasstrom verhält. Auch Fingerabdrücke oder Chemikalien zur Antistatikbehandlung können die Höhe der Leckströme in einer Schaltung beeinflussen.

Diese Phänomene ändern das Verhalten der Schaltung, wenn diese für den Versand zum Kunden vorbereitet wird, und im Laufe der Zeit können sich auch Verunreinigungen durch Staub, Öl oder Wasser ansammeln. Trotz alledem kann man bei sorgfältigem Leiterplattendesign durchaus 1 pA erreichen

Am wirksamsten lassen sich die Einflüsse des Eingangs-Biasstroms oder Leckstroms reduzieren oder minimieren, indem man die jeweilige Schaltungskonfiguration genau prüft. Bei dieser Prüfung sollten Sie sich die Spannungsverhältnisse an den Knotenpunkten ansehen und sich genau überlegen, welchen Einfluss jeder einzelne Strompfad in der Schaltung hat.

Themen der Operationsverstärkertechnik

* * Bonnie C. Baker ... arbeitet als Senior Applications Engineer bei Texas Instruments in Tucson, AZ, USA.