Operationsverstärker verbessern die Störimmunität von Schaltungen

Elektromagnetische Störaussendungen werden von einer Störquelle erzeugt und beeinflussen eine andere elektrische Schaltung in nicht beabsichtigter und häufig unerwünschter Weise. Bei der Störgröße handelt es sich um eine Spannung, einen Strom, elektromagnetische Strahlung oder eine Kombination davon, die von der Störquelle zur Störsenke gelangt. Der Begriff EMI (electromagnetic interference) bezieht sich nicht allein auf Hochfrequenz- oder Funkstörungen, denn starke EMI-Quellen existieren auch in niedrigeren Frequenzbereichen. Schaltregler, LED-Schaltungen und Motortreiber etwa arbeiten mit Frequenzen im zwei- bis dreistelligen Kilohertzbereich. Störungen durch die Netzfrequenz von 50 Hz sind ebenfalls ein Thema.

Von den Störquellen gelangen die Störgrößen über einen oder mehrere von insgesamt vier Kopplungsmechanismen zur Störsenke. Drei dieser vier Mechanismen werden als Nahfeld-Kopplung bezeichnet, nämlich die leitungsgeführte Kopplung, die Kopplung durch ein elektrisches Feld und die Kopplung durch ein magnetisches Feld. Bei dem vierten Mechanismus handelt es sich um die Fernfeld-Strahlungskopplung, bei der elektromagnetische Energie auf mehreren Wellenlängen abstrahlt.

Aktives Filtern differenzieller Störgrößen

Obwohl aktive, auf Operationsverstärkern basierende Filterschaltungen in der Lage sind, EMI-Effekte und Störgrößen auf einer Leiterplatte innerhalb der Bandbreite der Schaltung wirksam zu reduzieren, werden sie in vielen Designs nur unzureichend genutzt. Das differenzielle Nutzsignal lässt sich in seiner Bandbreite begrenzen, während die unerwünschten differenziellen Störgrößen ausgefiltert werden.

Bild 1 veranschaulicht, wie ein differenzielles Störsignal (Differential Mode, DM) über die parasitäre Kapazität C_P in das Eingangssignal  eingekoppelt wird. Die Überlagerung aus Nutzsignal V_{DM_Signal} und Störgröße V_{DM_Noise} gelangt zunächst an ein aktives Tiefpassfilter erster Ordnung. Die Tiefpasseckfrequenz dieser differenziellen Operationsverstärkerschaltung ist mithilfe von R2 und C1 so eingestellt, dass sie knapp über der gewünschten Signalbandbreite liegt. Höhere Frequenzen werden mit 20 dB pro Dekade abgeschwächt. Wird eine stärkere Abschwächung gewünscht, können aktive Filter höherer Ordnung (mit beispielsweise -40 oder -60 dB pro Dekade) implementiert werden.

Es wird empfohlen, Widerstände mit Toleranzen von 1 % oder weniger zu verwenden. Außerdem sollte man im Interesse der Leistungsfähigkeit des Filters Kondensatoren mit sehr gutem Temperaturkoeffizient (NP0, C0G) und Toleranzen von 5 % oder weniger benutzen.

Unterdrückung eingangsseitiger Gleichtaktstörungen

Bild 1: Ein aktives Operationsverstärkerfilter unterdrückt differenzielle und Gleichtaktstörgrößen am Eingang effizient. Texas Instruments

Am Eingang der in Bild 1 gezeigten Schaltung liegen auch Gleichtaktstörgrößen (Common Mode, CM) an. Darunter versteht man Störspannungen, die mit gleicher Amplitude und Phasenlage an beiden Operationsverstärkereingängen anliegen und kein Bestandteil des differenziellen Nutzsignals sind, welches der Operationsverstärker verarbeiten soll.

Gleichtaktstörungen können auf unterschiedliche Weise auftreten. Ein Beispiel ist ein System, in dem die Masse einer Schaltung auf einem anderen Potenzial liegt als die einer anderen Schaltung, mit der die erste Schaltung verbunden ist. Der Unterschied der Massepotenziale kann zwischen wenigen Millivolt und mehreren Volt betragen und auch bei vielen verschiedenen Frequenzen auftreten. In jedem Fall sorgen diese Potenzialdifferenzen für unerwünschte Spannungsabfälle und Stromflüsse, die sich störend auf die miteinander verbunden Schaltungen auswirken können. Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und große Gebäude, in denen viele Schaltungen vorkommen, sind häufig anfällig gegen diese Art von Störphänomenen.

Ein echter Vorteil von Operationsverstärkern ist die differenzielle Architektur ihrer Eingangsstufe sowie ihre Fähigkeit zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen, wenn sie als differenzielle Verstärker konfiguriert sind. Die Gleichtaktunterdrückung (Common-Mode Rejection Ratio, CMRR) ist für jeden Operationsverstärker angegeben, doch der CMRR-Wert der Schaltung insgesamt muss auch die Eingangs- und Gegenkopplungswiderstände mit einbeziehen.

Da sich Änderungen der Widerstandswerte stark auf den CMRR-Wert auswirken, werden angepasste Widerstände mit Toleranzen von 0,1 %, 0,01 % oder weniger benötigt, um den für eine Anwendung gewünschten CMRR-Wert zu erreichen. Grundsätzlich lässt sich auch mit externen Widerständen eine gute Leistung erreichen. Als weitere Option kann man Instrumenten- oder Differenzverstärker mit intern abgeglichenen Widerständen einsetzen. Der mit intern abgeglichenen Widerständen ausgestattete Instrumentenverstärker INA188 bietet einen hohen CMRR-Wert von 104 dB.

Gleichung 1 Texas Instruments

In Bild 1 können die Gleichtaktstörgrößen (V_{CM_noise} = V_CM1 = V_CM2) durch die Gleichtaktunterdrückung der Operationsverstärkerschaltung unterdrückt werden, wenn sich die Störgrößen innerhalb der aktiven Bandbreite der Schaltung befinden. Das Ausmaß der Gleichtaktunterdrückung hängt davon ab, ob für R1 und R2 präzise angepasste Widerstände gewählt werden. Zur Bestimmung von CMRR_TOTAL eignet sich Gleichung 1, in die die Widerstandstoleranz R_TOL und der CMRR-Wert des Operationsverstärkers (laut Datenblatt) eingehen. Wenn beispielsweise das Datenblatt für den Operationsverstärker CMRR(dB) = 90 dB ausweist, ist (1/CMRR_AMP) = 0,00003. In vielen Fällen ist das Erzielen des angestrebten CMRR_TOTAL-Werts in erster Linie von der Widerstandstoleranz bestimmt.

Gleichung 1 ist von einer in [1] zu findenden Gleichung für den CMRR-Wert eines idealen Operationsverstärkers abgeleitet, in der der Term CMRR_AMP als sehr groß (unendlich) angenommen wird. Weil bei einem idealen Operationsverstärker der Term (1/CMRR_AMP) null ist, hängt CMRR_TOTAL hängt nur von den Widerständen und der geschlossene Schleifenverstärkung A_V ab.

Dabei ist R_TOL die in Prozent angegebene Toleranz von R1 und R2 (beispielsweise 0,1 %, 0,01 % oder 0,001 %) und CMRR_AMP der CMRR-Wert aus dem Datenblatt (im Dezimalformat, nicht in dB). Zuletzt lässt sich CMRR_TOTAL wie folgt in dB umrechnen:

Gleichung 2:  CMRR_TOTAL (dB) = 20 · log₁₀ (CMRR_TOTAL)

Verbesserung der Störfestigkeit

Wie schon in den vorigen Abschnitten angesprochen, reduzieren aktive Filterung und Gleichtaktunterdrückung die Störungen in der Schaltung im begrenzten Bandbreitenbereich des Bausteins zuverlässig – einschließlich der DM- und CM-Störaussendungen bis in den Megahertzbereich hinein. Die Konfrontation mit Hochfrequenzstörungen oberhalb des vorgesehenen Betriebsfrequenzbereichs kann jedoch ein nichtlineares Verhalten des Bausteins zur Folge haben. Die größte Empfindlichkeit gegenüber Hochfrequenzstörungen weisen Operationsverstärker in ihrer hochohmigen differenziellen Eingangsstufe auf, weil DM- und CM-Hochfrequenzstörungen von internen Dioden (diese entstehen durch PN-Sperrschichten im Halbleiter) gleichgerichtet werden. Diese Gleichrichtung wiederum erzeugt eine kleine Gleichspannung (Nullpunkt- oder Offsetfehler), die verstärkt wird und sich am Ausgang als DC-Offsetfehler äußert. Je nach der Genauigkeit und Empfindlichkeit des Systems führt dies dazu, dass sich die Leistungsfähigkeit oder das Verhalten der Schaltung in unerwünschter Weise verändert.

Glücklicherweise gibt es zwei Methoden, um die Immunität eines Operationsverstärkers gegen Hochfrequenz-Störungen zu verbessern. Die erste und beste Option besteht in der Verwendung eines EMI-beständigen Operationsverstärkers, der mit eingebauten Filtern am Eingang Störbeeinflussungen vom zweistelligen Megahertzbereich bis in den Gigahertzbereich unterdrückt. TI bietet derzeit mehr als 80 solcher Bausteine an, die sich in der parametrischen Suchmaschine für TI-OpAmps über das Stichwort „EMI Hardened” finden lassen. Weitere Details über EMI-beständige Operationsverstärker enthalten [2] und [3].

Gleichung 3 Texas Instruments

Die zweite Option besteht im Hinzufügen externer EMI/RFI-Filter am Eingang des Operationsverstärkers. Diese Variante kann zudem die einzig gangbare Lösung sein, wenn ein Schaltungsdesign die Verwendung eines bestimmten Bausteins ohne internes EMI-Filter erfordert. Bild 2 zeigt eine standardmäßige Konfiguration eines Differenzverstärkers mit externen DM- und CM-Filtern für höhere EMI-Frequenzen. Ohne Eingangsfilter beträgt die Verstärkung der Schaltung |R2/R1|. Fügt man passive Eingangsfilter hinzu, benötigt man in der Regel die mit R3 bezeichneten Widerstände, um zu verhindern, dass der Kondensator C_DM die Phasenreserve des Verstärkers beeinträchtigt. Das DM-Tiefpassfilter besteht aus den beiden R1-Widerständen, C_DM und den beiden C_CM-Kondensatoren. Das CM-Tiefpassfilter nutzt die beiden R1-Widerstände und beide C_CM-Kondensatoren.

Gleichung 4 Texas Instruments

Über die Gleichungen 3 und 4 lassen sich die (-3 dB)-Cutoff-Frequenzen f_{C_DM} und f_{C_CM} der EMI-Filter berechnen. Üblicherweise wird zuerst f_{C_DM} oberhalb der gewünschten Bandbreite der Operationsverstärkerschaltung platziert, woraus sich die Kapazitätswerte für C_DM ergeben. Anschließend wählt man die C_CM-Kondensatoren so, dass ihr Wert mindestens um den Faktor 10 kleiner als der von C_DM ist. Das minimiert den Einfluss auf f_{C_DM} und lässt die C_CM-Kondensatoren auf höhere Frequenzen wirken. Die Cutoff-Frequenz f_{C_CM} ist damit größer als f_{C_DM}. Bei Verwendung eines EMI-Hardened-Operationsverstärkers können die Bauelemente in den rot-gestrichelten Rahmen aus Bild 2 übrigens entfallen, was das Design vereinfacht.

Niederohmige Ausgangsimpedanz

Bild 3: Taktgenerator als Störquelle und Audioschaltung als Störsenke. Texas Instruments

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Operationsverstärkern ist ihre sehr geringe Ausgangsimpedanz, die in den meisten Konfigurationen üblicherweise nur wenige Ω beträgt. Um zu verstehen, weshalb dies zur Verringerung der EMI-Effekte beiträgt, muss man sich vor Augen führen, wie elektromagnetische Interferenzen auf nieder- und hochohmige Schaltungen einwirken.

Bild 3 zeigt einen Schaltungsbereich einer Audioanwendung, in welcher der Taktsignalpfad den Nutzsignalpfad stört. Dabei wird ein passiv an den A/D-Wandler (ADC) angekoppeltes Audiosignal über die parasitäre Kapazität C_p vom ADC-Taktsignal überlagert. Im Nutzsignalpfad wird das sinusförmige 2-kHz-Audiosignal mit einer Amplitude von 1 V_P-P und 600 Ω Quellimpedanz (R_S1) von der ADC-Eingangsimpedanz R_L1 mit 20 kΩ belastet. Der Taktsignalpfad besteht aus einer 100-kHz-Taktquelle mit 3,3 V Amplitude (V_S2) und einem Innenwiderstand R_S2 von 22 Ω inklusive der Lastimpedanz R_L2 von 500 kΩ. Letztere wird von den Takteingängen weiterer Digitalbausteine gebildet.

Bild 4: Die aktive Befilterung eines Audiosignals verringert die von der Taktschaltung ausgehende elektromagnetische Störeinkopplung. Texas Instruments

In einem realen System sind im Bereich von 100 bis 400 kHz liegende Taktsignale für den seriellen I²C-Bus in der Umgebung von Audio-ADCs und -Schaltungen durchaus üblich. Auch wenn I²C-Takte in der Regel als Bursts (das heißt nicht kontinuierlich) erzeugt werden, veranschaulicht diese Simulation doch die möglichen Auswirkungen, die sich ergeben, während der Takt aktiv getrieben wird. Auf dicht bestückten Leiterplatten für Audio- und Infotainmentsysteme kann es vorkommen, dass eine Taktleitung in der Nähe einer Leiterbahn mit einem empfindlichen Audiosignal verläuft. Damit es zu einer kapazitiven Kopplung kommt, muss nur eine parasitäre Leiterplattenkapazität von wenigen Picofarad vorliegen, um das Taktsignal in das als Störsenke fungierende Audiosignal einstreuen zu lassen. Simuliert wird dies mit einer parasitären Kapazität C_p von nur 1 pF in Bild 3.

Wie aber lassen sich die Störungen in der Audioschaltung verringern? Es zeigt sich, dass sich die Empfindlichkeit einer Störsenke gegen eingekoppelte Störungen reduzieren lässt, indem man ihre Impedanz verringert. In Schaltungen mit relativ hoher Quellimpedanz (> 50 Ω) lassen sich die eingekoppelten Störungen reduzieren, indem man die Quellimpedanz für die Last minimiert. In Bild 4 wird die Schaltung durch einen OPA350 in nicht-invertierender Konfiguration ergänzt, um das Signal zu puffern und die Quellimpedanz von der Last zu isolieren. Verglichen mit 600 Ω, ist die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers sehr gering, wodurch sich die Taktstörungen stark reduzieren.

Störungen auf den Versorgungsleitungen verringern

Die Beschaltung der Stromversorgungsanschlüsse mit Stütz- oder Entkopplungskondensatoren ist äußerst vorteilhaft, wenn es um das Ausfiltern hochfrequenter elektromagnetischer Störaussendungen und das Steigern der Störimmunität der Operationsverstärkerschaltung geht. Sämtliche Abbildungen in diesem Artikel enthalten den Kondensator C_D als Bestandteil der Schaltung – er leitet HF-Störungen niederohmig gegen Masse ab.

Obwohl das Thema Entkopplung schnell sehr komplex werden kann, lassen sich einige Faustregeln auf jedes Design anwenden. Insbesondere sollten die gewählten Kondensatoren einen sehr guten Temperaturkoeffizienten (zum Beispiel X7R, NP0, oder C0G), eine sehr niedrige effektive Serieninduktivität (ESL) und eine möglichst geringe Impedanz über das gewünschte Frequenzspektrum aufweisen; Kapazitätswerte von 1 bis 100 nF bewähren sich in der Regel gut.

Neben den Kondensatoreigenschaften sind die Platzierung und die elektrische Verbindungen ebenso wichtig. Der Kondensator sollte möglichst nah an den IC-Versorgungsanschlüssen angeordnet sein und über kurze niederohmige Leitungen zwischen Versorgungsspannung und Masse der Leiterplatte angeschlossen werden.

Richtlinien für den Schaltungsentwurf im Überblick

Operationsverstärker tragen dazu bei, Nahfeld-EMI-Effekte auf einer Leiterplatte zu verringern und das Systemdesign dadurch aufzuwerten. Die folgenden entscheidenden Aspekte sollten bei jedem Design berücksichtigt werden:

• Eine sorgfältig ausgewählte aktive Filterkonfiguration hilft differenzielle Störaussendungen am A/D-Wandlereingang zu verringern (Bild1).
• Operationsverstärker mit einem hohen CMRR-Wert und präzise angepasste Widerstände reduzieren Gleichtaktstörsignale (Bild 1, Gleichungen 1 und 2).
• Durch die Wahl eines besonders EMI-beständigen Bausteins oder durch Verwendung externer passiver EMI/RFI-Filterlässt sich die Immunität gegen EMI und RFI zusätzlich steigern (Bild 2).
• In hochohmigen Nutzsignalpfaden bewirken Operationsverstärker durch ihre niedrige Ausgangsimpedanz eine Verringerung der Störsignaleinstreuung (Impedanzwandler).
• Stütz- und Entkopplungskodensatoren nahe der IC-Stromversorgungsanschlüsse leiten HF-Störungen niederohmig gegen Masse ab.

(pat/jwa)