Es ist nur ein Dreieck, oder was bedeutet ein Dreieckiges Schaltungssymbol wirklich?
Harry Holt, ehemaliger Anwendungstechniker bei ADI und
Mike Skroch, Anwendungstechniker bei ADI
Hilft oder behindert ein Symbol unser Denken über ein Design?
Symbole sind wichtig, aber was ist, wenn ein Symbol mehrere Dinge bedeuten kann?
Das kann zu Problemen führen, wie wir noch sehen werden. In der analogen Welt kann ein Dreieck einen Operationsverstärker, einen Komparator oder einen Instrumentenverstärker darstellen. Man könnte einen von ihnen zwingen, die Funktion eines der anderen zu übernehmen, aber die Systemleistung wäre nicht optimal. Schauen wir uns ihre Unterschiede an und worauf wir achten müssen, damit wir sie möglichst gut einsetzen können. Wie wir sehen werden, gibt es einige Fälle, in denen man gar nicht erst versuchen sollte, mit dem falschen Typ eines Bauteil die Konstruktion zu beginnen.
Abbildung 1: Welches Dreieck ist der Operationsverstärker? Welches Dreieck ist der Komparator? Und welches Dreieck ist der Instrumentenverstärker? Die Antwort ist:
Sie sind es alle drei !
Abbildung 1. Ein Operationsverstärker, ein In-Amp und ein Komparator.
Was ist also der Unterschied und warum interessiert uns das? Ein Blick auf Tabelle 1 zeigt, daß es einige große Unterschiede bei mehreren Merkmalen gibt, aber was bedeuten sie auf Schaltungs- und Systemebene?
Tabelle 1. Vergleiche von Operationsverstärkern, Komparatoren und Instrumenten-Verstärkern
| Op Amp | Comparator | In-Amp | |
|---|---|---|---|
| Feedback | Negative | None/positive | Internal |
| Open-Loop Gain | 5k to 10 million | 3k to 50k | Fixed 0.2 to 10k |
| Closed-Loop Gain | Usually <10,000 | Fixed 0.2 to 10k | |
| Input Caps | Never | Maybe | Good |
| Output | Analog/linear | Digital | Analog/linear |
| Important Specs | VOS, GBW/PM | Prop delay | CMRR |
| Programming | R or C | None | R, SPI, jumpers |
Ein Operationsverstärker hat eine große Verstärkung. In der Ingenieursausbildung wurde uns beigebracht, die Analyse mit der Differenz zwischen den beiden Eingängen gleich Null zu beginnen. Aber im wirklichen Leben kann das nicht immer so sein. Wenn die Open-Loop-Verstärkung 1 Million beträgt, dann müßte man 5 μV am Eingang haben, um 5 V am Ausgang zu erhalten. Für eine brauchbare Schaltung müssen wir eine Rückkopplung anwenden, sodaß, wenn der Ausgang versucht, zu hoch zu gehen, ein Steuersignal an den Eingang zurückgeführt wird, das dem ursprünglichen Signal entgegenwirkt – zum Beispiel eine negative Rückkopplung. Bei der Verwendung als Komparator wird der Ausgang ohne Rückkopplung gegen die eine oder andere Grenze schlagen; mit positiver Rückkopplung wird er weiter in dieselbe Richtung getrieben. Operationsverstärker benötigen also eine Gegenkopplung. Wenn einige Operationsverstärker als Komparatoren ohne Rückkopplung verwendet werden, kann der Versorgungsstrom sogar 5 bis 10 Mal höher sein als der Maximalwert auf dem Datenblatt. [1]
Für einen Komparator ist jedoch eine positive Rückkopplung genau das, was wir brauchen. Wenn ein Eingang eines Komparators ohne Rückkopplung langsam den Pegel des anderen Eingangs überschreitet, ändert sich der Ausgang langsam. Wenn es Rauschen im System gibt, wie z.B. Ground Bounce, kann sich der Ausgang umkehren, was in einem Regelsystem sicherlich unerwünscht ist. Aber dann fängt er an, sich wieder zu ändern, was zu einem oszillierenden Verhalten führt, das manchmal als Flattern bezeichnet wird (siehe Abbildung 5 in MT-083 [2]). Die Vorteile des Hinzufügens einer positiven Rückkopplung, auch Hysterese genannt, werden in dem Artikel “Curing Comparator Instability with Hysteresis” von Reza Moghimi gut beschrieben. [3]
Abbildung 2. Ein Klassiker: 3-Operations-Verstärker.
Bei einem Instrumentenverstärker ist die Rückkopplung bereits intern, sodaß das Hinzufügen einer Rückkopplung nur eine ungenaue Verstärkung erzeugt. Eine typische Art, einen Instrumentenverstärker mit Operationsverstärkern aufzubauen, ist in Abbildung 2 dargestellt.
Hinweis: Um jeden einzelnen Operationsverstärker herum ist eine Rückkopplung vorhanden. Beginnen wir mit dem Standard-Gegenkopplungsdiagramm (siehe Abbildung 3), wobei der Eingangsverstärker G ist, mit einer gewünschten Verstärkung von 10, was einen Rückkopplungsfaktor von 0,1 bedeutet. Wählen Sie als nächstes eine feste Verstärkung des Eingangsverstärkers von 100. Unter Verwendung von Gleichung 1 beträgt die tatsächliche Verstärkung des geschlossenen Regelkreises 9,09, was einem Fehler von fast 10 % entspricht. Es macht also keinen Sinn, ein Verstärkerdreieck als Operationsverstärker zu verwenden und es mit einer Rückkopplung zu versehen.
Abbildung 3. Klassisches Rückkopplungsschema.
Für einen Operationsverstärker brauchen wir wirklich eine negative Rückkopplung, für einen Komparator brauchen wir wirklich eine positive Rückkopplung, und für einen In-Amp brauchen wir keine Rückkopplung.
Open-Loop- und Closed-Loop-Verstärkung
Für Operationsverstärker gilt: Je höher die Open-Loop-Verstärkung (AVOL), desto genauer ist die Closed-Loop-Verstärkung. Die meisten Operationsverstärker haben eine Open-Loop-Verstärkung zwischen 100.000 und 10 Millionen, aber einige der älteren Hochgeschwindigkeits-Op-Amps können auch nur 3000 aufweisen. Wie bereits gezeigt, gilt: Je höher die Open-Loop-Verstärkung, desto geringer ist der Fehler der Closed-Loop-Verstärkung.
Wenn bei einem Komparator der Logikhub am Ausgang 3 V beträgt und Sie eine Schwelle von 1 mV wünschen, dann muß die Mindestverstärkung 3000 betragen. Mit einer höheren Verstärkung erhalten Sie ein kleineres Fenster der Unsicherheit, aber wenn die Verstärkung zu hoch ist, wird der Komparator durch Mikrovolt-Rauschen ausgelöst.
Für einen Instrumentenverstärker gilt das Konzept der Open-Loop-Verstärkung nicht wirklich.
Eingangskondensatoren
Kondensatoren werden oft zu Schaltungen hinzugefügt, um die Bandbreite zu begrenzen. In Abbildung 4 sieht es auf den ersten Blick so aus, als würden R1 und C1 einen Tiefpaßfilter bilden. Dies funktioniert nicht und kann zu Schwingungen führen. Der Rückkopplungsfaktor für einen invertierenden Verstärker ist R2/R1, aber in Abbildung 4 ist der Rückkopplungsfaktor R2/(R1 + Xc). Mit zunehmender Frequenz steigt der Rückkopplungsfaktor, sodaß die Rauschverstärkung mit +20 dB/Dekade ansteigt, während die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers mit -20 dB/Dekade abnimmt. Sie kreuzen sich bei 40 dB, was nach der Regelkreistheorie eine Oszillation garantiert. Der richtige Weg, die Bandbreite der Schaltung einzuschränken, besteht darin, den Kondensator über R2 zu legen.
Abbildung 4. Ein Versuch, die Bandbreite des Operationsverstärkers zu reduzieren.
Komparatoren haben in der Regel kein negatives Rückkopplungsnetzwerk, daher funktioniert der einfache R und C vor dem Komparator in Abbildung 5, der ein Tiefpaßfilter bildet, gut. RHYS sollte viel größer sein als R7, und die beiden teilen den Ausgangshub, um eine kleine Menge an positiver Rückkopplung (Hysterese) bereitzustellen. Wenn der Komparator eine eingebaute Hysterese hat, wie z.B. der LTC6752IS5#TRMPBF oder der ADCMP391ARZ , dann werden R7 und RHYS nicht verwendet.
Abbildung 5. Komparator mit LPF und Hysterese.
Für Instrumentenverstärker ist eine Kappe über den Eingängen durchaus akzeptabel, wie C4 in Abbildung 6 zeigt. Die Abbildung in Kapitel 5 des Leitfadens für die Instrumentierung von Analog Devices [4] zeigt eine gute Sache, die man immer tun sollte, wenn man einen Instrumentierungsverstärker verwendet. Wenn Sie die Leiterplatte mit den entsprechenden Leiterbahnen und Pads auslegen, um das Hinzufügen der zwei Widerstände und drei Kondensatoren zu ermöglichen, können Sie mit 0 Ω-Widerständen und ohne Kondensatoren beginnen um die Systemleistung zu messen. Durch Anpassen der Werte der fünf Komponenten können Sie die Gleichtaktabweichung und die Normalmodusabweichung unabhängig voneinander einstellen (siehe Anleitung für Details).
Abbildung 6. RFI-Filter vor Instrumentenverstärker.
Ausgänge
Ein Operationsverstärker oder ein Instrumentenverstärker hat einen Ausgang, der von der einen Schiene nahe zur anderen schwingt. Je nachdem, ob die Ausgangsstufe eine gemeinsame Emitter- oder eine gemeinsame Source-Konfiguration verwendet, kann sie innerhalb von 25 mV bis 200 mV von jeder Schiene schwanken. Dies würde als Rail-to-Rail-Ausgang betrachtet werden. Wenn der Operationsverstärker mit +15 V und -15 V versorgt wird, ist dies für den Anschluß an digitale Schaltungen ungünstig. Eine schlechte Lösung, die versucht wurde, ist das Anbringen von Diodenklemmen am Ausgang, um den digitalen Eingang vor Schäden zu schützen. Stattdessen steigt der Strom des Operationsverstärkers in die Höhe und der Operationsverstärker wird beschädigt. Es gibt aufwändigere Möglichkeiten, einen Operationsverstärker mit digitaler Logik zu verbinden, aber warum sich die Mühe machen? Verwenden Sie einfach einen Komparator.
Komparatoren können einen CMOS-Totem-Pol-Ausgang oder einen NPN- oder NMOS-Open-Collector- oder Open-Drain-Ausgang haben. Obwohl der Open-Collector- oder Open-Drain-Ausgang einen Pull-up-Widerstand erfordert, was zu ungleichen Anstiegs- und Abfallzeiten führt, bietet er den Vorteil, daß der Komparator mit einer Spannung, z.B. 5 V, betrieben werden kann und eine Schnittstelle zu einer Logik besteht, die mit einer anderen Spannung, z.B. 3,3 V, arbeitet.
Wichtige Spezifikationen
Für einen Operationsverstärker benötigen wir eine Verstärkungsbandbreite, die höher ist als die höchste Signalfrequenz, um den Regelungsfehler gering zu halten. Ein Blick auf Gleichung 1 zeigt, daß die Regel für die Verstärkungsbandbreite das 10- bis 100-fache der höchsten Signalfrequenz sein sollte. Aus Gleichung 1 geht hervor, daß AVOL eine Funktion der Frequenz ist und die Genauigkeit des geschlossenen Regelkreises beeinflußt. Die Phasenspanne ist ebenfalls wichtig und variiert mit der kapazitiven Last, daher sollte die Spezifikationstabelle die Testbedingungen klar angeben. Für die Gleichstromgenauigkeit sollte die Offsetspannung niedrig sein. Für einen getrimmten bipolaren Operationsverstärker sind 25 μV bis 100 μV gut; für einen FET-Eingangsoperationsverstärker sind 200 μV bis 500 μV gut. Auto-Zero / Chopper / Nullpunktdrift-Operationsverstärker liegen fast immer unter 20 μV Maximum, und zwar über den gesamten Temperaturbereich. Beispiele finden Sie in den Datenblättern einiger typischer Operationsverstärker, wie dem OP27GSZ , AD8610ARMZ-REEL oder ADA4522-2ARZ-R7 .
Abbildung 7. Bidirektionale Stromerfassung mit hohem Gleichtakthub.
Die Ausbreitungsverzögerung ist die wichtigste Spezifikation für Komparatoren. Im Gegensatz zu Operationsverstärkern, die langsamer werden, wenn sie übersteuert werden, werden Komparatoren schneller, wenn man sie übersteuert. In Spezifikationstabellen wird manchmal eine Laufzeitverzögerung mit einer kleinen Übersteuerung, z.B. 5 mV, und eine andere Verzögerung bei einer größeren Übersteuerung von 50 mV oder sogar 100 mV. Die wichtigste Spezifikation für Instrumentenverstärker ist das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR). Sie versuchen, ein sehr kleines Differenzsignal zu extrahieren, das auf einer großen Gleichtaktspannung liegt. Wie viele andere Spezifikationen variiert auch diese mit der Frequenz und manchmal wird ein Gleichstrom-CMRR oder ein CMRR bei einer sehr niedrigen Frequenz angegeben. In der Regel wird ein Diagramm des CMRR über der Frequenz angegeben. Dies ist z.B. wichtig, wenn Sie versuchen, den Strom in einem Halb-Brücken-Motorantrieb zu erfassen, wie in Abbildung 7 gezeigt.
Dies ist wahrscheinlich die schwierigste Anwendung für einen Instrumentenverstärker, da die Gleichtaktspannung von nahe einer Schiene in die Nähe der anderen geht und sich der Strom schnell umkehrt. Die Verstärkungsbandbreite und die Anstiegsgeschwindigkeit sind beide wichtig.
Programmierung
Programmieren in diesem Sinne bedeutet nicht, Code zu schreiben; es bedeutet, das Bauteil so zu konfigurieren, daß es die Anforderungen Ihres Systems erfüllt (obwohl einige In-Amps über traditionelle Software-Programmierfunktionen mit SPI-Ports und Registern verfügen).
Bei Operationsverstärkern konfigurieren wir das Bauteil mit Gegenkopplung. Dies kann ein rein Ohm’sches Element sein, aber normalerweise wird ein Widerstand mit einem Kondensator parallel verwendet, um die Bandbreite zu begrenzen. Dies hilft dem Signal-Rausch-Verhältnis, da das Rauschen über den gesamten Bereich integriert wird, auch wenn wir nur einen Teil davon nutzen. Sie können auch Kondensatoren allein verwenden und erhalten einen Integrator oder einen Differentiator.
Komparatoren sollten immer ein wenig positive Rückkopplung haben, um sicherzustellen, daß, sobald der Eingang den Ausgang zu einer Bewegung zwingt, der Ausgang die Bewegung verstärkt (siehe Abbildung 4 und Abbildung 5). Bilder und Berechnungen sind in MT-083 [2] enthalten. Einige Komparatoren haben eine interne Hysterese, aber Sie können normalerweise mehr hinzufügen, falls gewünscht. Einige Komparatoren mit interner Hysterese haben einen Pin, um einen Widerstand hinzuzufügen, um den Wert leicht zu verändern.
Es ist möglich, einen Operationsverstärker als Komparator zu verwenden, aber es ist nicht ideal, und es gibt mehrere Überlegungen. Sie müssen ein guter Analog-Entwickler sein, um damit in einer Produktionsumgebung durchzukommen. Einige Überlegungen stehen in MT-083 [2] und es wurden viele Artikel, pro und contra, geschrieben. Sehen Sie sich die Referenzen an, wenn Sie gerne ungefährlich leben wollen.
Komparatoren werden fast immer mit Widerständen programmiert. Sie können einen Widerstand mit hohem Wert hinzufügen, um ein wenig positive Rückkopplung zu erhalten, und es ist auch möglich, einen Kondensator für die Wechselstromrückkopplung zu verwenden, um eine zusätzliche Gleichstromhysterese zu vermeiden. Einige Komparatoren haben eine eingebaute Hysterese, aber diese kann wiederum durch Hinzufügen einer kleinen Menge positiver Rückkopplung erhöht werden.
Abschließende Überlegungen
Wenn man versucht, einen Operationsverstärker als Komparator zu verwenden, passieren subtile Dinge. Viele der rauscharmen bipolaren Operationsverstärker haben antiparallele Dioden zwischen den Eingängen. Der Eingangs-Gleichtaktbereich der meisten Komparatoren umfaßt 80 % des Gesamtbereichs oder mehr. Einige rauscharme, bipolare Operations-Verstärker haben jedoch eine oder zwei Dioden in Reihe zwischen den Eingängen. Dadurch wird verhindert, daß die Eingangsstufe einen der Emitter-Basis-Übergänge „Zenert“, was die Rauschleistung mit der Zeit verschlechtern würde.
So würde ein 5-V-Operationsverstärker, der als Komparator mit einem Schwellenwert von 3 V für eine Power-Good-Anzeige in einem 3,3-V-System verwendet wird, ein Problem mit 3 V an einem Eingang und 0 V am anderen haben, da diese Dioden die maximal zulässige Differenzspannung an den Eingängen des Operationsverstärkers begrenzen.
Zusammenfassung
Bei vielen Anwendungen hängt die Wahl des Operationsverstärkers davon ab, ob Sie sich auf die Gleichstromgenauigkeit, die Wechselstromgenauigkeit, die Eingangsoffsetspannung, die Verstärkungsbandbreite oder die Versorgungsspannung konzentrieren. Im Jahr 2020 hatte man schon über 700 zur Auswahl. Die wichtigsten Parameter für Komparatoren sind in der Regel die Laufzeitverzögerung und die Versorgungsspannung. Hier ist die Auswahl mit 122 Bauteilen etwas einfacher. Das Hauptkriterium für Instrumentenverstärker ist CMRR in Abhängigkeit von der Frequenz, aber auch Gleichstromnähe, Offsetspannung und Verstärkungsgenauigkeit sind wichtig. Da In-Amps ganz speziellere Bauteile sind, gibt es “nur” 63 Auswahlmöglichkeiten.
Die Wahl des richtigen Bauteils führt zu einem störungsfreien, produktionstauglichen Design für die nächsten Jahre.
Referenzen
[1] Harry Holt. “The Maximum Supply Current that Wasn’t”. Analog Devices, Inc. November 2011.
[2] MT-083 Tutorial: “Comparators”. Analog Devices, Inc. 2009.
[3] Reza Moghimi. “Curing Comparator Instability with Hysteresis”. Analog Dialogue, Vol. 34, No. 7, November 2000.
[4] A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers, 3. Analog Devices, Inc. 2006.
Über die ursprünglichen Autoren von ADI
Harry Holt war 14 Jahre lang als Applikationsingenieur bei Analog Devices Inc. (San Jose, CA) tätig, zuletzt in der Central Applications Group, nachdem er 27 Jahre lang bei National Semiconductor sowohl im Feld als auch in der Fabrik für eine Vielzahl von Produkten gearbeitet hatte, darunter Datenkonverter, Operationsverstärker, Referenzen, Audio-Codecs und FPGAs. Er hat einen B.S.E.E. Abschluß von der San Jose State University und ist ein Lebensmitglied von Tau Beta Pi und ein Life Senior Member des IEEE. Harry ging im August 2017 in den verdienten Ruhestand.
Mike Skroch ist Applikationsingenieur und unterstützt das FAE-Team für America Sales East in den Regionen Central und Great Lakes. Er kam 2014 zu Linear Technology und wurde dann 2017 Teil von Analog Devices Inc. Vor seinem Wechsel in die Halbleiterindustrie war er 16 Jahre lang in der Telekommunikationsbranche in verschiedenen Funktionen in den Bereichen Fertigung, Testentwicklung, Rückgabe und Reparatur sowie Forschung und Entwicklung tätig. Sie können ihn unter mike.skroch@analog.com erreichen.