Ersatzschaltung eines idealen Operationsverstärkers (Bild: Daniel Braun)

Wie man aktive Filter nicht entwickeln sollte

Antwort: Weil einige Softwarepakete für aktive Filter das Verstärkerverhalten in der Praxis ignorieren.

Einer meiner Kollegen war zum Tauchen am Roten Meer. Er ließ sein Mobiltelefon und seinen Computer zu Hause und vergaß die Arbeit völlig. Dummerweise trug er sein Handtuch und seine Kamera in einem Rucksack mit dem Logo von Analog Devices zum Taucherboot. Eine seiner Mittaucher, Ekaterin aus Russland, die gerade ein aktives Filter mit Operationsverstärkern von ADI entwickelt hatte, erkannte das Firmenlogo. So viel zu seinem Urlaub ohne Arbeit!

Ersatzschaltung eines idealen Operationsverstärkers (Bild: Daniel Braun)

Die Filterschaltung von Ekaterin war einwandfrei. Die Spice-Analyse bestätigte es. Auch die Bauteile wiesen einwandfreie Toleranzen auf. Zum Glück brauchte mein Kollege keinen Computer, um zu sehen, warum das Filter nicht wie erwartet arbeitete. Die Schaltung basierte auf einem „idealen“ Operationsverstärker, bei dem alle Parameter entweder Null oder unendlich sind.

Das wahre Leben ist jedoch selten so einfach. Operationsverstärker mit Spannungsrückkopplung bieten normalerweise eine hohe Verstärkung bei offener Rückkopplungsschleife und einen Frequenzverlauf mit einer Polstelle. Hochgenaue Typen haben eine Verstärkung von >106, aber ihr Verstärkungs/Bandbreiten-Produkt ist selten größer als einige MHz. Somit beginnt ihre offene Schleifenverstärkung bei einigen Hz abzufallen.

Bei 20 kHz, dem obersten Wert des Audiospektrums, kann die Verstärkung bei offener Schleife eines Präzisions-OPVs <50 betragen – das ist niedrig genug, um die Leistungsfähigkeit eines aktiven Filters herabzusetzen. Hinzu kommt, dass bei hohen Signalpegeln die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (Slew Rate) auch den Frequenzverlauf eines Verstärkers begrenzt.

Bei schnellen OPVs gibt es derartige Probleme nicht. Allerdings oszillieren viele schnelle Operationsverstärker bei kapazitiver Rückkopplung. Da die Topologien vieler aktiver Filter eine kapazitive Rückkopplung nutzen, ist es unklug, aktive Filter mit Operationsverstärkern mit Stromrückkopplung zu entwickeln.

Entwickler nutzen oft große Widerstände, damit sie kleine, preisgünstige Präzisionskondensatoren verwenden können. Biasströme, die durch diese hohen Widerstände fließen, setzen aufgrund des Spannungsabfalls über dem Widerstand die Offsetspannung eines Verstärkers herab. Der Rauschstrom eines OPVs trägt ebenfalls zum Systemrauschen bei.

Das Widerstandsrauschen (Johnson-Rauschen oder weißes Rauschen) kann das Operationsverstärker-Rauschen übersteigen. Nicht alle Filterentwickler bedenken dies. Auch vergessen sie manchmal, die Stromversorgung richtig HF zu entkoppeln. Dies beeinträchtigt den HF-Verlauf des Verstärkers.

Ekaterins Problem war auf den Einsatz eines zu langsamen Operationsverstärkers zurückzuführen. Zum Glück konnte mein Kollege ihr einen schnelleren empfehlen. Wie mein Kollege nach seiner Ankunft zu Hause erfuhr, übertraf ihre Schaltung danach die erforderliche Leistungsfähigkeit spielend.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

 

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