Bild 1: Chopper-stabilisierte Architektur, wie sie bei Zero-Drift-Verstärkern der MCP6Vxx-Serie von Microchip zum Einsatz kommt.

Bild 1: Chopper-stabilisierte Architektur, wie sie bei Zero-Drift-Verstärkern der MCP6Vxx-Serie von Microchip zum Einsatz kommt. (Bild: Microchip)

Um die Einschränkungen im Leistungsbereich bei Zero-Drift-Verstärkern zu verstehen, hilft es, die grundlegende Architektur dieser Verstärker näher zu betrachten. Bild 1 beschreibt eine Chopper-stabilisierte Architektur, wie sie bei vielen Zero-Drift-Verstärkern der MCP6Vxx-Serie von Microchip zum Einsatz kommt.

Bild 1: Chopper-stabilisierte Architektur, wie sie bei Zero-Drift-Verstärkern der MCP6Vxx-Serie von Microchip zum Einsatz kommt.

Bild 1: Chopper-stabilisierte Architektur, wie sie bei Zero-Drift-Verstärkern der MCP6Vxx-Serie von Microchip zum Einsatz kommt. Microchip

Der Chopper-stabilisierte Verstärker hat zwei Signalpfade: einen Pfad mit hoher Bandbreite, der immer mit dem Hauptverstärker verbunden ist, und einen Hilfspfad mit geringerer Bandbreite. Dabei ist der Hauptverstärker für eine hohe Bandbreite ausgelegt und bestimmt das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt und die Anstiegsgeschwindigkeit des gesamten Verstärkers.

Das Eingangssignal wird ebenfalls durch den Hilfspfad geleitet, der sowohl an den Eingängen als auch an den Ausgängen Chopper-Schalter aufweist, gefolgt von einer Filterstufe, bevor es zum Hauptverstärkerpfad zurückgeführt wird. Der Hilfsverstärker in diesem sekundären Pfad hat eine extrem hohe Verstärkung, wodurch er Offsets von Millivolt bis zu Mikrovolt korrigieren kann.

Zeitverlust beim Einpendeln

Nach dem grundlegenden Verständnis dieser Architektur soll nun betrachtet werden, wie sich dies, ausgehend von einer großen Sprungantwort am Verstärkereingang, auf die Leistungsfähigkeit im Zeitbereich auswirkt (Bild 2). In diesem Beispiel wird die Eingangsspannung (in rot dargestellt) fast augenblicklich von etwa 200 mV auf 5,2 V erhöht. Die Ausgangsspannung des Verstärkers mit Einheitsverstärkung (blau dargestellt) versucht, diese Sprungantwort anzupassen, ist jedoch bezüglich der Anstiegsrate begrenzt und benötigt zusätzliche Zeit, bis sich der Ausgang auf seinen endgültigen Wert einstellt. Dies ist eine besonders schwierige Situation für selbstkorrigierende Architekturen.

Bild 2: Beispiel für eine große Sprungantwort am Verstärkereingang (rot: Eingangsspannung, blau: Ausgangsspannung).

Bild 2: Beispiel für eine große Sprungantwort am Verstärkereingang (rot: Eingangsspannung, blau: Ausgangsspannung). Microchip

Wie erwähnt, ist der Signalweg mit höherer Bandbreite innerhalb des Zero-Drift-Verstärkers für die Gesamtgeschwindigkeit verantwortlich (Verstärkungsbandbreite und Anstiegsgeschwindigkeit). Sobald jedoch der neue Wert einer Sprungantwort erreicht ist, muss sich der Ausgang innerhalb der niedrigen Offsetgrenzen des Zero-Drift-Verstärkers (meist weniger als 50 μV) einpendeln. Dies beinhaltet auch den bandbreitenbegrenzten Hilfspfad und ist daher abhängig von der Chopper-Frequenz.

Höhere Taktfrequenzen ermöglichen relativ schnelle Einschwingzeiten, aber bei Zero-Drift-Verstärker liegen diese meist im zweistelligen Mikrosekunden-Bereich oder höher. Höhere Chopper-Frequenzen können jedoch zu einer höheren korrigierten Offset-Spannung führen, die in Designs mit hoher Präzision natürlich Priorität hat.

 

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, warum es gerade bei hohen Regelkreisverstärkungen wichtig ist, das Startverhalten des Verstärkers zu berücksichtigen.

Startverhalten berücksichtigen

Ein anderer Zeitbereichsaspekt, der bei Zero-Drift-Verstärkern berücksichtigt werden muss, ist das Startverhalten. Wenn der Verstärker hochfährt, gibt es eine kurze Zeitperiode, in der der Ausgang des Verstärkers den unkorrigierten Offset-Fehler des Hauptverstärkers (Bild 1) widerspiegelt. Sobald die Versorgungsspannung den Auslösepunkt erreicht, wie durch den Power-on-Reset-Kreis des Verstärkers definiert, benötigt der Hilfskorrekturpfad einige Taktzyklen, bevor sich der Ausgang des Hauptverstärkers wieder innerhalb der angegebenen Offset-Pegel befindet. Diese Anlaufzeit liegt meist innerhalb der Anlaufzeit des gesamten Systems, in dem der Verstärker betrieben wird. Daher stellt dies kein Problem dar.

Wurde der Verstärker jedoch für eine hohe Regelkreisverstärkung konfiguriert, kann der momentane unkorrigierte Offset, der bis zu ±5 mV betragen kann, am Ausgang des Verstärkers bewirken, dass sich der Verstärker verschaltet. In diesem Fall muss die Anlaufzeit auch die Zeit umfassen, die der Verstärker benötigt, um in seinen linearen Betriebsbereich zurückzukehren. Die Datenblätter für Microchips Zero-Drift-Verstärker bieten einen Wert für diese Overdrive-Wiederherstellungszeit.

Zero-Drift-Verstärker bieten viele Vorteile in zahlreichen Anwendungen. Sie bieten eine sehr gute DC-Leistungsfähigkeit und hohe Genauigkeit über der Zeit und Temperatur. Wie bereits erwähnt, ist der Nachteil dieser selbstkorrigierenden Architekturen ihre Leistungsfähigkeit im Zeitbereich. Aktuelle Designs versuchen, die Kompromisse so klein wie möglich zu halten – für Entwickler lohnt es sich aber, wenn sie sich dieser potenziellen Probleme bewusst sind. Auf Microchips Operationsverstärker-Webseite finden Sie weitere Informationen, unter anderem auch über Zero-Drift-Verstärker.

Kevin Tretter

Autor
(Bild: Microchip)
Senior Product Marketing Manager MSLD bei Microchip

(na)

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