Bild 1: Gegenüberstellung der Funktionsschaltbilder der möglichen Operationsverstärker-Grundschaltungen

Die Vorteile der indirekten Stromrückkopplung

Bei elektrischen Verstärkern werden Spannungs- und Stromrückkopplung eingesetzt, um Übertragungskennlinien zu linearisieren und um gewünschte Verstärkungsfaktoren einzustellen. Dies ist nicht nur bei einzelnen Verstärkern, wie zum Beispiel bei Operationsverstärkern, sondern auch bei zusammengefügten Verstärkergruppierungen möglich. Ob Strom- oder Spannungsrückkopplung zur Anwendung kommt, hängt von der gewählten Schaltungstechnik ab.

Die Arten von Spannungs- und Stromrückkopplung

Bei der Gegenkopplung wird ein Teil des Ausgangssignals auf den Verstärkereingang zurückgeführt und vom Eingangssignal subtrahiert. Dadurch erhält der Verstärker einen fest vorgegeben Verstärkungsfaktor. Während die direkte Spannungsrückkopplung durch Rückführung eines Teils der Ausgangsspannung mit einem Widerstandsspannungsteiler leicht durchgeführt werden kann – und zum Alltag analoger Schaltungsentwicklung gehört – ist die Stromgegenkopplung vorzugsweise bei Verstärkern für hohe Frequenzen anzutreffen und hinsichtlich der externen Beschaltung enger begrenzt.

 Bild 1: Gegenüberstellung der Funktionsschaltbilder der möglichen Operationsverstärker-Grundschaltungen
Bild 1: Gegenüberstellung der Funktionsschaltbilder der möglichen Operationsverstärker-Grundschaltungen

Direkte Spannungsrückkopplung ist bei hochohmigen und direkte Stromrückkopplung bei niederohmigen invertierten Verstärkereingängen möglich. Die jeweilige Ausführung des Verstärkers bestimmt somit die Art der einsetzbaren Gegenkopplung. Insgesamt unterscheidet man vier Ausführungsarten von Verstärkern: Normal-, Transkonduktanz-, Transimpedanz-, und Strom-Operationsverstärker (Bild 1).

Wie in Bild 1 zu sehen ist, haben der Normal- und der Transkonduktanz-Operationsverstärker hochohmige Eingänge und sind somit für Spannungsgegenkopplung bestimmt. Stromrückkopplung ist folgerichtig den Transimpedanz- und Strom-Operationsverstärkern zugeordnet.

Vor- und Nachteile der Operationsverstärker-Grundschaltungen

Besonderheiten, Vorzüge, Anwendungs- und Bauteilbeispiele der vier Operationsverstärker-Grundschaltungen sind in Tabelle 1 unter Angabe der möglichen Gegenkopplung aufgelistet.

 Tabelle 1: Besonderheiten, Vorzüge, Anwendungs- und Bauteilbeispiele der vier verschiedenen OPV-Grundschaltungen unter Angabe der möglichen Gegenkopplung
Tabelle 1: Besonderheiten, Vorzüge, Anwendungs- und Bauteilbeispiele der vier verschiedenen OPV-Grundschaltungen unter Angabe der möglichen Gegenkopplung

Allen Grundschaltungen ist gemeinsam, dass die Gegenkopplung die Eingänge mit Widerständen belastet. Sollen Spannungen gemessen werden, darf in den Verstärkereingang kein nennenswerter Strom fließen. Dies lässt sich erreichen, wenn vor den Differenzverstärker zusätzliche Spannungsfolger (Puffer) oder Verstärker geschaltet werden.

Potenzialdifferenzen, die zwischen den Rails der Versorgungsspannung liegen, lassen sich mit Instrumentenverstärkern auf die gewünschte Ausgangsspannung bringen. Sie sind als fertig aufgebaute integrierte Schaltungen erhältlich und bestehen aus drei zusammengeschalteten Verstärkern. Auch hier kommen intern direkte Spannungs- und Stromrückkopplung zum Einsatz.

 Bild 2: Prinzipskizze eines klassisch aufgebauten Instrumentenverstärkers und der dazugehörige Aussteuerbereich
Bild 2: Prinzipskizze eines klassisch aufgebauten Instrumentenverstärkers und der dazugehörige Aussteuerbereich

Instrumentenverstärker, wie in Bild 2 gezeigt, werden schon seit langer Zeit für Anwendungen eingesetzt, die hohe Präzision, Verstärkung und Gleichtaktunterdrückung erfordern. Zu den Einsatzbereichen gehören die Verstärkung von Spannungsdifferenzen in Brückenschaltungen (Dehnungsmessstreifen, Piezoelemente, Thermosensoren), das Messen kleinster bipolarer Spannungspotenziale im medizintechnischen Bereich oder das Ermitteln von Spannungsabfällen an Strommesswiderständen.

Wer bereits Schaltungen mit Instrumentenverstärkern aufgebaut und sie mit unipolarer Spannung versorgt hat, kennt die damit verbundenen Einschränkungen: der Eingangsspannungsbereich ist eingeengt und die Verstärker übersteuern leicht. Grundsätzlich ließe sich das Problem mit Rail-to-Rail Verstärkern lösen, doch treten dann andere unerwünschte Effekte auf.

Limitierungen bei Rail-to-Rail Eingangsstufen

Rail-to-Rail Eingangsstufen sind besonders schwer zu entwerfen, wenn eine hohe Genauigkeit gefordert wird. Der Übergang vom Betrieb bei UCC-naher Gleichtaktspannung zum Betrieb bei Masse-naher Gleichtaktspannung kann niemals perfekt sein, da während dieses Übergangs Offsetspannungen zwischen den N- und den P-Typ-Paaren in der differenziellen Eingangsstufe auftreten können.

Eine niedrige Offsetspannung (UOS) und ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) sind die entscheidenden Spezifikationen für einen gut konstruierten Präzisionsinstrumentenverstärker. Weil CMMR = ΔUOS / ΔUCM ist, bewirkt eine Änderung bei UOS beim Übergang von einem Gleichtaktbereich zum anderen eine massive Verschlechterung der CMRR-Werte.

Deshalb werden die meisten Präzisionsinstrumentenverstärker als Typen ohne Rail-to-Rail Eingänge entwickelt, auch wenn sie noch die negative Versorgungsspannung (0 V) als Gleichtakt-Eingangsspannung erlauben. Wenn der Präzisionsverstärker nur mit Rail-to-Rail Ausgängen versehen ist, kann das Ausgangssignal nie die Spannungsrails erreichen, sondern der Aussteuerbereich reduziert sich wie in Bild 2 gezeigt.

Prinzip der Indirect-Current-Feedback Architektur

 Bild 3: Prinzipskizze der Indirect-Current-Feedback Architektur des Bausteins MAX4208 und dazugehöriger Aussteuerbereich
Bild 3: Prinzipskizze der Indirect-Current-Feedback Architektur des Bausteins MAX4208 und dazugehöriger Aussteuerbereich

Die Indirect-Current-Feedback-Architektur ist eine relativ neue Methode Instrumentenverstärker zu konstruieren. Durch die vielen Vorteile, die sie bietet, wurde sie sehr populär. Bild 3 zeigt die Indirect-Current-Feedback-Architektur wie sie in den Instrumentenverstärkern MAX4462 und MAX4208/9 benutzt wird.

Diese neue Struktur beinhaltet einen Verstärker mit großem Verstärkungsfaktor (C) und zwei Transkonduktanzverstärker (A und B). Jeder Transkonduktanzverstärker wandelt seine differenzielle Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom um und unterdrückt seine gesamte Gleichtakt-Eingangsspannung.

Am stabilen Arbeitspunkt des Verstärkers entspricht der Ausgangsstrom der gm-Stufe A dem Eingangsstrom der gm-Stufe B. Dieser Abgleich wird durch die Rückkopplungseinwirkung des Verstärkers C erreicht, der die differenzielle Spannung am Eingang des Rückkoppelungsverstärkers B auf den gleichen Wert wie die differenzielle Eingangsspannung am Verstärker A zwingt.

Die Schaltung stellt dann einen definierten Strom (UDIFF / R1) in der Serienschaltung der Ausgangswiderstände ein. Dieser Strom fließt ebenso durch R2. Dadurch ist die Ausgangsspannung an OUT einfach die Verstärkung der differenziellen Eingangsspannung mit dem Verstärkungsfaktor 1+ R2 / R1. Der Offset des Ausgangs kann durch Anlegen einer Spannung an REF gesteuert werden, ähnlich wie bei einem herkömmlichen 3-OpAmp-Instrumentenverstärker.

Vorteile der Indirect-Current-Feedback-Architektur

 Bild 4: oben: Funktionsmodell eines klassischen Instrumentenverstärkers; unten: Funktionsmodell des Instrumentenverstärkers mit Indirect-Current-Feedback
Bild 4: oben: Funktionsmodell eines klassischen Instrumentenverstärkers; unten: Funktionsmodell des Instrumentenverstärkers mit Indirect-Current-Feedback

Die Abstraktion des Aufbaus eines klassischen Instrumentenverstärkers (Bild 2) führt zu einem Funktionsmodell wie in Bild 4 oben gezeigt. Der Vergleich mit Bild 4 unten macht den entscheidenden Vorteil dieses Systems deutlich. Das Zwischensignal in dem klassischen 3-OpAmp-Instrumentenverstärker enthält nicht nur die verstärkte differenzielle Eingangsspannung sondern auch die Gleichtaktspannung.

Im Gegensatz dazu enthält die Indirect-Current-Feedback-Architektur lediglich eine Ableitung der differenziellen Eingangsspannung. Die erste Stufe sorgt für die gesamte Gleichtaktunterdrückung. Die zweite Stufe bewirkt eine differenzielle Verstärkung bei gleichzeitiger, weiterer Gleichtaktunterdrückung, sodass das Ausgangssignal, wenn nötig, durch eine Referenzspannung mit einem Offset versehen werden kann. Dadurch können bei der Indirect-Current-Feedback-Architektur Einschränkungen des Gleichtakt-Eingangsspannungsbereichs wie bei den 3-OpAmp-Instrumentenverstärkern gar nicht erst entstehen.

 

Der Autor: Gerhard Winkler ist Pensionär.

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