Operationsverstärker

Bei der Wahl des geeigneten Operationsverstärkers (OPV) orientieren sich die Entwickler in erster Linie an den Anforderungen der geplanten Applikation. Bei Systemen mit besonders hohen Leistungsanforderungen, etwa aus dem Bereich Medizintechnik, sind zunächst sorgfältige Analysen durchzuführen. Dabei müssen auch die nicht idealen Parameter und Charakteristika des zur Wahl stehenden OPVs Berücksichtigung finden.

Stabilität als wichtiges Kriterium

Für die Stabilität eines OPV-System ist es wichtig, dass die Antwort bei geschlossener Rückkopplungsschleife einer Antwort mit einer Polstelle ähnelt. Falls die Verstärkung bei geschlossener Rückkopplungsschleife die Leerlaufverstärkung bei 20 dB/Dekade schneidet, ist das System stabil. Ist ein Punkt erreicht, an dem die Antwort der geschlossenen Rückkopplungsschleife auf 40 dB/Dekade fällt, beginnt der OPV zu oszillieren.

Eine Polstelle bewirkt eine Phasendrehung von 90°, während zwei Polstellen entsprechend 180° Phasendrehung verursachen. Bei einer Phasendrehung von 180° im Rückkopplungspfad wandelt sich das System mit negativer Rückkopplung in ein System mit positiver Rückkopplung und beginnt zu oszillieren.

Bild 1: Bode-Diagramm eines Operationsverstärkers. Der obere Bereich zeigt die Amplitudenverstärkung (Amplitudengang), der untere Bereich die Phasenverschiebung (Phasengang). Microchip

Im Bode-Diagramm eines gängigen OPVs (Bild 1) kennzeichnet die Phasenreserve die Phasendrehung bei Eins-Verstärkung, die bis zum Erreichen des 180-Grad-Punktes bleibt.

Die Phasenreserve, auch Phasenrand genannt, ist eine Kennzahl, die eine Aussage über die Stabilität eines Operationsverstärkers macht. Bild 1 zeigt, dass die Phasenänderung nicht unbedingt an der Eckfrequenz auftritt. Stattdessen beginnt die Phasenänderung eine Dekade von der Eckfrequenz entfernt. Eine Phasenreserve von etwa 40° bei Standard-Betriebsbedingungen ist typisch für einen in einem Mikrocontroller der Serie PIC16F von Microchip integrierten OPV.

OPVs in Messkreisen

Operationsverstärker sind ein wesentlicher Bestandteil zur Entwicklung analoger oder Mixed-Signal-Stromversorgungen. Sie kommen in Signalmess- und Kompensationsnetzen zum Einsatz. Eine gängige Anwendung für Operationsverstärker in digitalen Leistungswandlern ist die Messung des Stromes, der durch die Induktivität fließt. Auch in Motorsteuerungen und Stromzählern kommen OPVs zum Einsatz, um den Stromfluss durch die Phasen des Wechselrichters zu messen. Meist befindet sich ein Serien-Messwiderstand im Stromflusspfad (Bild 2). Der Spannungsabfall über dem Messwiderstand wird verstärkt und zurück an den A/D-Wandler des Mikrocontrollers gekoppelt.

Da der Wert des Messwiderstands meist sehr klein ist (wenige mΩ bis wenige Ω ), ist eine Verstärkung der gemessenen Spannung erforderlich. Der OPV kommt hier somit in einer Differenzverstärkerkonfiguration zum Einsatz – unabhängig von der Stromflussrichtung erfolgt eine originalgetreue Verstärkung der Spannungsdifferenz.

Ein Mikrocontroller wie der PIC16F753 mit einem integrierten OPV reicht für diese Art von Anwendung aus. Da der OPV in den Controller integriert ist, verringern sich die Gesamtkosten der Entwicklung und der Platzbedarf auf der Leiterplatte. Die Störimmunität verbessert sich, da nicht so viele Leiterbahnen auf dem Board erforderlich sind, wie es beim Einsatz eines externen OPV der Fall wäre.

OPVs in Steuerungssystemen

Sofern Entwickler bei der Realisierung von Leistungswandlern, die die Ausgangsspannung als Abwärts- oder Aufwärtswandler regeln sollen, auf eine analoge Steuerung zurückgreifen, erfordert diese Steuerung stets einen Kompensator mit OPV.

Normalerweise ist ein Kompensator mit drei Polen und zwei Nullstellen erforderlich, wenn die Steuerung nur die Ausgangsspannung verwendet. Dies bezeichnet man als Spannungssteuerung beziehungsweise als Typ-III-Kompensator. Ein solcher Kompensator ist eine Variante des invertierenden Verstärkers bezüglich Änderungen am Rückkopplungsnetzwerk. Das Rückkopplungsnetzwerk ist so ausgelegt, dass es eine Übertragungsfunktion mit drei Polen und zwei Nullstellen aufweist.

Ein Schleifenübergang zwischen den Nullstellen und den Polen lässt sich erreichen, wenn beide Nullstellen bei einer Frequenz und die beiden Pole bei einer Frequenz zusammenfallen. Mit solchen Kompensatoren lässt sich ein angemessener Phasenspielraum erzielen, da eine gute Phasenverstärkung möglich ist.

Bild 2: Operationsverstärker als Differenzverstärker zur Strommessung. Microchip

OPVs in der Medizinelektronik

Bioelektrochemische Sensoren sind in vielen Medizingeräten erforderlich, um verschiedene Vitalparameter des Menschen zu überwachen. Die Biosensoren erfassen elektrochemische Aktivitäten, die in Mikroben, Enzymen oder chemischen Verbindungen stattfinden. Diese Aktivitäten müssen getestet, gemessen und in einigen Fällen gesteuert werden.

Ein gängiger Elektronikschaltkreis für solche Anwendungen ist der Potentiostat oder Galvanostat. Dieser ist für den einwandfreien Betrieb eines bioelektrochemischen Sensors erforderlich. In Anwendungen wie Geruchs- und Geschmackserkennungssensoren sind mehrere Potentiostate erforderlich.

Potentiostat mit zwei OPVs

In der einfachen Anordnung eines Potentiostats (Bild 3) kommen zwei OPVs zum Einsatz. Ein PIC16F1793 oder ein PIC16F1786 würden sich eignen, da diese MCUs über zwei integrierte OPVs verfügen.

Ein Potentiostat ist eine Zelle mit drei Elektroden, bestehend aus einer Arbeitselektrode, der Referenzelektrode und der Zählerelektrode. Die Zählerelektrode führt Strom in die Zelle hinein oder aus ihr heraus. Dieser Strom muss den in der Arbeitselektrode erzeugten Strom ausgleichen. Die Referenzelektrode dient als Referenz für die Arbeitselektrode, um das Potenzial des Elektrolyts zu messen.

Der Verstärker muss die Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Arbeitselektrode so genau wie möglich an der Spannung V_BIAS halten, die am nicht-invertierenden Anschluss anliegt. Eine Regelung des Ausgangs findet statt, um den Zellenstrom zu erhalten und ein Gleichgewicht herzustellen. Der Potentiostat muss den Strom von der Arbeitselektrode messen und ein brauchbares Signal am Ausgang bereitstellen. Dieser Strom kann bipolar sein und wird unabhängig davon gemessen, ob der Strom in die Arbeitselektrode hinein oder aus ihr heraus fließt.

Bild 3: Operationsverstärker in einer Potentiostat-Anwendung. Microchip

Niederfrequenz-Sensoren

Operationsverstärker eignen sich auch zur Entwicklung von Niederfrequenz-Schaltkreisen für Sensoren, die Korrelation verwenden, um die Anwesenheit eines Niederfrequenz-Signals zu erkennen. Das zu testende oder zu erkennende Signal steht in Bezug zu einem Niederfrequenz-Referenzsignal. Genau diese Referenz erzeugt der OPV-Schaltkreis.

Gängige Anwendungen sind die Lecksuche in Rohrleitungen, das Auffinden von Hotspots und Wärmestrahlung in elektrischen Geräten sowie die Erkennung seismischer Wellen. Drucksensoren für Verbrennungsmotoren, Turbulenz-Erkennung sowie Rauch- und Feuermelder sind weitere Anwendungsbeispiele.

In diesen Anwendungen ähnelt die Funktion eines eigenständigen Operationsverstärkers der Funktion eines integrierten OPV in einem Mikrocontroller PIC16F. Integriert bedeutet, dass weniger Bauteile erforderlich sind. Zudem verringert sich die Anfälligkeit bei externen Störungen, da der Operationsverstärker ohne Leiterbahnen auskommt.

(hb/av)