Operationsverstärker Wie man in acht Schritten Maximalwerte und Wärmewiderstände interpretiert

Beim Einsatz von aktiven Bausteinen in einer Elektronikschaltung stellt sich oft die Frage welche maximalen Belastungen für Komponenten zulässig sind und damit, wie die einzelnen Schaltungsteile zu dimensionieren und zu schützen sind. Einige grundsätzliche Antworten zu diesen Themenumfeld werden am Beispiel eines Operationsverstärkers aufgezeigt.

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Wenn elektronische Bausteine nicht richtig funktionieren, ist dies für den Anwender oft frustrierend. Zweifellos führen viele Wege zu einer gelungenen Schaltung, noch zahlreicher sind die Fälle, bei denen man scheitern kann. Faktum ist, dass 90% der Probleme und Fehler, mit denen Anwender konfrontiert sind, auf oberflächliches oder falsches Lesen des Datenblatts zurückzuführen sind und somit eigentlich vermeidbar wären. Der folgende Artikel beantwortet eine Reihe häufig gestellter Fragen über absolute Maximalwerte und Wärmewiderstände am Beispiel eines Operationsverstärkers.

Darf man einen Verstärker geringfügig über seinen absoluten Maximalwerten betreiben?

Auf gar keinen Fall! Die im Datenblatt angegebenen absoluten Maximalwerte sind unter allen Umständen einzuhalten, wenn man nicht Gefahr laufen will, das Bauelement dauerhaft zu beschädigen. Die absoluten Maximalwerte geben die Obergrenzen an, die ein Baustein zwar verträgt, bei denen er aber keinesfalls betrieben werden soll. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung den absoluten Maximalwert übersteigt, kann es zu einem Durchbruch an den differenziellen Transistorpaaren am Eingang kommen, was einen übermäßigen Fehlerstrom zur Folge haben kann.

Dies wiederum resultiert nicht nur in einer Verschiebung der Leistungsparameter, sondern bewirkt auch Elektromigration, durch die das Bauelement langfristig permanent zerstört werden kann. Die absoluten Maximalwerte sind also strikt zu meiden, will man nicht die dauerhafte Beschädigung des Bauelements riskieren.

Was ist zusätzlich über absolute Maximalwerte zu sagen?

Die Tabelle mit den absoluten Maximalwerten enthält die maximal zulässigen Obergrenzen für Spannung, Temperatur und Strom (Bild 1).

Die maximale Versorgungsspannung, die z.B. an einen Operationsverstärker angelegt werden darf, richtet sich nach dem verwendeten Herstellungsprozess. Die Angabe bezieht sich auf den Momentanwert und nicht auf den Durchschnitts- und Endwert. Bei den Niederspannungs-CMOS-Operationsverstärkern von Analog Devices beträgt die Obergrenze in der Regel 6 V, wohingegen bipolare Hochvolt-Bausteine auf 36 V begrenzt sind.

Die maximale Eingangsspannung hängt ebenfalls von der Architektur der Eingangsstufe und der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers ab. Nahezu alle Operationsverstärker sind mit Schutzdioden gegen elektrostatische Entladung (ESD-Dioden) abgesichert. Über die am Eingang befindlichen ESD-Dioden legt man fest, wie weit die Eingangsspannung über die Versorgungsspannung hinausreichen darf. In der Regel kann die Eingangsspannung um einen Dioden-Spannungsabfall (je nach Temperatur zwischen 300 und 700 mV) höher sein als die Versorgungsspannungen.

Liegt die Eingangsspannung außerhalb des zulässigen Bereichs, überschreitet aber noch nicht den absoluten Maximalwert, ändert sich das Betriebsverhalten des Bausteins. Der Operationsverstärker wird dann zwar nicht beschädigt, funktioniert aber unter Umständen nicht mehr richtig. Zum Beispiel kann er phasenverkehrt arbeiten oder sein Eingangs-Biasstrom oder seine Eingangs-Offsetspannung können deutlich ansteigen.

Sobald die Eingangsspannung den absoluten Maximalwert überschreitet, besteht das Risiko, dass der Operationsverstärker dauerhaft beschädigt wird. Das ist beispielsweise der Fall, wenn der Eingang eines Operationsverstärkers, an dem durch eine falsche Hochlaufreihenfolge noch keine Versorgungsspannung anliegt, mit einer Spannung beaufschlagt wird. Der absolute Maximalwert wird überschritten und es tritt eine Überspannung am Eingang auf, die den Baustein zerstören kann.

Monolithische, gegen überhöhte Eingangsspannungen abgesicherte Verstärker

Dies lässt sich einfach abwenden, wenn man einen monolithischen, gegen überhöhte Eingangsspannungen abgesicherten, Verstärker verwendet. Die Hersteller statten diese Bauelemente mit eingebauten Schaltungen zum Schutz vor zu hohen Eingangsspannungen aus und bieten damit eine einfach anzuwendende Alternative zu diskreten analogen Lösungen. Ein Beispiel für einen solchen Baustein ist der Präzisionsverstärker ADA4091-2 mit Überspannungsschutz. Die Eingangsspannung kann hier bis 25 V über und unter der Versorgungsspannung liegen, ohne dass das Bauelement beschädigt wird.

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