Eigenrauschen in Operationsverstärkerschaltungen – Teil 1: 1/f-Rauschen und Zero-Drift-Verstärker

Dieser Artikel beschäftigt sich mit Fehlern bei Niederfrequenzanwendungen. Im Einzelnen werden die Drift der Eingangs-Offsetspannung und das 1/f-Rauschen untersucht. Darüber hinaus werden Standard-Topologien mit der Topologie von Zero-Drift-Verstärkern verglichen, bei denen nur eine geringe Offsetdrift und kein 1/f-Rauschen auftreten.
Zero-Drift-Verstärker

Zero-Drift-Verstärker sind Operationsverstärker, die in regelmäßigen Abständen den Offset, die Offsetdrift und damit auch das niederfrequente 1/f Rauschen kalibrieren. Die Kalibrierungsfrequenz reicht bei unterschiedlichen Zero-Drift-Verstärkern von 10 kHz bis 100 kHz. Eine Digitalschaltung im Zero-Drift-Verstärker steuert die Kalibrierung. Von der Systemebene aus betrachtet fungiert dieser Verstärker als normaler linearer Operationsverstärker. Es gibt zwei unterschiedliche Arten von Zero-Drift-Verstärkern: Auto-Zero-Verstärker und Chopper-Verstärker.

Der Auto-Zero-Verstärker besteht aus einem kontinuierlich arbeitenden Verstärker (Signalverstärker) und einem Verstärker für die Kalibrierung (Korrekturverstärker). In einer ersten Phase tastet der Korrekturverstärker die Offsetspannung Vos1  ab und speichert sie in einem Kondensator(C2). Der Offset des Signalverstärkers wird nun mithilfe dieser gespeicherten Spannung ausgeglichen. In der zweiten Phase misst der Kalibrierverstärker seinen eigenen Offset und speichert den Wert in C1 ab, mit dessen Hilfe er dann seinen eigenen Offset korrigieren kann. Da die Kalibrierung mit einer relativ hohen Geschwindigkeit (z. B. 50 kHz) stattfindet, werden auch die Offsetdrift und das niederfrequente Rauschen ausgeglichen. Bild 1.1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Schaltung mit Auto-Zero-Verfahren. Obwohl es sich hierbei um eine sehr starke Vereinfachung des Prinzips handelt, zeigt die Blockschaltung die grundsätzliche Funktionsweise. Eine detailiertere Beschreibung dieses Verfahrens finden Sie in [1].


Bild 1.1: Auto-Zero Verstärker

Bei einer Chopper-stabilisierten Schaltung werden Eingang und Ausgang synchron invertiert. Dadurch wird der Offset in jeder zweiten Phase invertiert. Auf diese Weise wird der Offset von einer Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einem Mittelwert von 0V umgewandelt. Eine Filterstufe reduziert die Amplitude des Wechselspannungssignals (Bild 1.2). Bei modernen Chopper-Verstärkern von Texas Instruments ist ein patentierter Sperrfilter integriert um genau diese Chopper-Frequenz zu filtern. Eine ausführlichere Beschreibung des Chopper-Verfahrens findet sich in  [2].


Bild 1.2: Chopper-stabilisierter Verstärker

Auto-Zero-Verstärker und Chopper-stabilisierte Verstärker weisen einige Gemeinsamkeiten auf und werden als „Zero-Drift-Verstärker“ bezeichnet. Die Haupteigenschaften sind eine geringe Offsetspannung und eine geringe Drift der Offsetspannung. Obwohl der Eingangsstrom und dessen Drift nicht kalibriert werden, sind die Werte normalerweise gering, da es sich bei den Verstärkern um MOSFET-Verstärker handelt. In der folgenden Aufstellung sind der Offset und die Offsetdrift einiger verbreiteter Zero-Drift-Verstärker aufgeführt.

Operationsverstärker

Offset

(uV)

Offsetdrift

(uV/C)

Spannungsrauschen

(nV/rt-Hz)

OPA333

10

0,05

55

OPA335

5

0,05

55

OPA378

50

0,25

20

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Zero-Drift-Verstärkern besteht darin, dass bei diesen Verstärkern praktisch kein 1/f-Rauschen auftritt. Niederfrequentes Rauschen kann als langsame Schwankung der Offsetspannung aufgefasst werden. Die Selbstkalibrierung beseitigt daher das 1/f  Rauschen auf dieselbe Weise wie die Offsetdrift.

Spektraldichtekurve von Zero-Drift-Verstärkern

Die Spektraldichtekurve von Zero-Drift-Verstärkern enthält keinen 1/f-Bereich. Manchmal zeigt sich die Kalibrierungsfrequenz und ihre Oberwellen als Störung in der Spektraldichtekurve.

In den meisten Anwendungsfällen ist es sinnvoll, den Bereich der Kalibrierungsfrequenz zu vermeiden. Dies lässt sich mithilfe eines externen Filters erreichen. In vielen Fällen wird das Kalibrierungssignal durch die Verstärkungsbandbreite des Operationsverstärkers automatisch gedämpft.

Bild 1.3 zeigt das Rauschen bei einer Verstärkung von 101. In diesem Fall wird die 3-dB-Bandbreite durch die Verstärkungsbandbreite des Verstärkers auf 19,8 kHz begrenzt, d. h., Verstärkungsbandbreite/Verstärkung = 2 MHz/101 = 19,8 kHz. Das bei 10 kHz auftretende Kalibriersignal wird nicht gedämpft. Zu beachten ist außerdem, dass die Berechnung des Gesamtrauschens kompliziert ist, weil die Spektraldichtekurve bei 10 kHz von 55 nV/rtHz auf 25 nV/rtHz abfällt. Die Kalibrierungssignale lassen sich in der Berechnung aber angemessen berücksichtigen. Die Berechnung des Gesamtrauschens ist in Bild 1.4 dargestellt.


Bild 1.3: Am OPA335 gemessenes Ausgangsrauschen bei einer Verstärkung von 101

Bild 1.4: Berechnung des Gesamtrauschens am OPA335 bei einer Verstärkung von 101

 

 

Bild 1.5 zeigt die Spektraldichtekurve des OPA333 mit Chopper-Stabilisierung. Bei diesem Verstärker beträgt die Chopperfrequenz ca. 125 kHz. Die Verstärkungsbandbreite des OPA333 beträgt 350 kHz. Bei den meisten Verstärkungseinstellungen wird die Chopperfrequenz außerhalb der Bandbreite liegen. Ein Beispiel: Die Bandbreite wird bei einer Verstärkung von 10 auf 35 kHz begrenzt und damit das Chopper-Signal zum größten Teil gedämpft.

 




Zusammenfassung und Vorschau

 

In diesem Artikel haben wir Zero-Drift-Verstärker und deren Rauschberechnung behandelt. Zero-Drift-Verstärker sind durch einen geringen Offset und eine geringe Offsetdrift gekennzeichnet. Außerdem tritt bei diesen Verstärkern kein 1/f Rauschen auf. In Teil 2 werden wir uns detaillierter mit den Eigenschaften und Vorteilen des niederfrequenten Rauschens bei Auto-Zero Verstärkern beschäftigen.

Danksagung

Mein besonderer Dank gilt den folgenden Mitarbeitern von Texas Instruments für ihre technische Unterstützung:

Rod Burt, Senior Analog IC Design Manager,

Joy Zhang, Analog IC Design Engineer,

Bruce Trump, Manager Linear Products und

Tim Green, Applications Engineering Manager.

Literatur

[1] Thomas Kugelstadt, „Auto-zero amplifiers ease the design of high-precision circuits”, Texas-Instruments-Dokumentennummer SLYT204, ©2005: http://focus.ti.com/lit/an/slyt204/slyt204.pdf.

[2] Thomas Kugelstadt, „New zero-drift amplifier has an IQ of 17 μA”, Texas-Instruments-Dokumentennummer SLYT272, ©2007: http://focus.ti.com/lit/an/slyt272/slyt272.pdf.

Der Autor:


Art Kay ist als Senior Applications Engineer bei Texas Instruments tätig.

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