Winziger Verstärker treibt Lasten von 200 mW

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Hybrid-Einsfolder-Topologie

Eine zweite Stabilisierungstechnik ist die Hybrid-Einsfolger-Topologie (Bild 1b). Statt den Pol der Lastkapazität zu verschieben, reduziert dieses Konzept den Rückkopplungsfaktor, um die Verstärkung mit der Frequenz zu verringern, bevor eine zu große Phasendrehung erreicht wird.

Zum einfacheren Verständnis denken wir uns die Überlagerung eines invertierenden Verstärkers mit A = –R_F/R_S und eines nichtinvertierenden Verstärkers (A = 1 + R_F/R_S). Das Resultat ist eine Schaltung, die mit einer Signalverstärkung von +1 und einer Rauschverstärkung von (R_S + R_F)/R_S arbeitet.

Die separate Einstellbarkeit von Rückkopplungsfaktor und Signalverstärkung ermöglicht die Stabilisierung beliebig großer Lasten durch Einschränken der Bandbreite.

Auch diese Schaltung weist Nachteile auf: Die Rauschverstärkung ist für alle Frequenzen erhöht. Somit werden auch DC-Fehler wie zum Beispiel die Offsetspannung (U_OS) vergrößert. Ferner kann die externe Rückkopplungsschleife stabil sein, während die Rückkopplungsschleife der Ausgangsstufe instabil ist.

Schaltungskombination

Diese Probleme lassen sich lösen, indem man die Funktionsprinzipien beider Schaltungen kombiniert. Die Schaltung in Bild 1c separiert nieder- und hochfrequente Rückkopplungspfade. Mögliche Stabilitätsprobleme werden durch einen hinreichend großen Widerstand zur kapazitiven Lastisolation im Ausgangspfad der Ausgangsstufe abgewendet.

Die Niederfrequenz-Rückkopplung wird hinter R_ISO am oberen Brückenzweig über den Rückkopplungswiderstand R_F abgegriffen. Die Hochfrequenz-Rückkopplung erfolgt direkt vom Ausgang des Verstärkers über den Rückkopplungskondensator C_F. Die Schaltung verhält sich bei hohen Frequenzen wie der Hybrid-Einsfolger.

Die Hochfrequenz-Rauschverstärkung errechnet sich aus der Impedanz der Kondensatoren zu (C_S + C_F)/C_F. Diese hohe Rauschverstärkung verhindert hochfrequente Schwingungen. Sofern der Übergang der Rückkopplung auf Verstärkung 1 bei einer ausreichend geringen Frequenz erfolgt, wird die Stabilität nicht durch die Lastkapazität beeinträchtigt. Da die Niederfrequenz-Rauschverstärkung Eins beträgt, bleibt die DC-Genauigkeit der Schaltung erhalten.

Leistungsfähigkeit der Schaltung

Die Schaltung liefert 5 V an Widerstandslasten bis 120 Ω. Der Gesamtfehler liegt unter 1 mV. Stabil treiben lassen sich Lasten mit einer Gesamtkapazität bis 10 nF.

Die Schaltung arbeitet über einen Spannungsbereich von 7 bis 15 V bei einer Verlustleistung bis 400 mW. Sollen sowohl positive als auch negative Lasten getrieben werden, kann der Verstärker an einer Stromversorgungen von ±7 V arbeiten. Die Schaltung benötigt nur einen 3 mm × 3 mm großen Verstärker und vier passiven Bauteile.

* Mark Reisiger ist Staff Design Engineer in der Linear Products Group von Analog Devices in Wilmington, USA.

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