Komparatoren und Operationsverstärker – nie sollen sie sich treffen!

Weil ein Operationsverstärker eben nicht genauso gut wie ein Komparator ist. Unser Rat an diejenigen, die versucht sind, einen Operationsverstärker als Komparator einzusetzen, deckt sich mit dem Ratschlag, den der Kasper aus dem Theater den Heiratswilligen gibt: „Tun Sie’s nicht!“ Da dieser gute Rat aber wahrscheinlich ebenso wenig beherzigt werden wird wie der vom Kasper, möchte ich hier ein paar Erläuterungen für diejenigen anfügen, die sich partout nicht umstimmen lassen wollen.

Komparatoren besitzen differenzielle Eingänge und einen Rail-to-Rail-Ausgang. Bei den Operationsverstärkern ist es genauso. Komparatoren haben einen geringen Offset, eine hohe Verstärkung und eine hohe Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection Ratio – CMRR), genau wie Operationsverstärker.

Aber: Komparatoren sind dafür konzipiert ohne Gegenkopplung zu arbeiten, Logikschaltungen anzusteuern, auch bei Übersteuerung mit hoher Geschwindigkeit zu arbeiten und mit hohen differenziellen Eingangsspannungen fertig zu werden. Während Operationsverstärker für den Betrieb mit Gegenkopplung und die Ansteuerung einfacher resistiver oder reaktiver Lasten konzipiert sind und nicht für ein rasches Erholen nach Übersteuerungen ausgelegt sind. Allerdings sind OpAmps billiger und werden oft in Vierund Sechsfach-Ausführung angeboten (sodass häufig einer übrig ist und geradezu darum bettelt, genutzt zu werden.) Nicht zuletzt bieten Operationsverstärker hinsichtlich der Offset- und Biasströme bessere Eigenschaften als die meisten Komparatoren.

Einen Operationsverstärker als Komparator einzusetzen, kann im Wesentlichen aus drei Gründen, die mit der Geschwindigkeit, der Fähigkeit zum Ansteuern von Logikschaltungen sowie verschiedenen Effekten der Eingangsstrukturen zusammenhängen, zu Problemen führen.

Während Komparatoren für den Betrieb mit großen Spannungsdifferenzen zwischen den Eingängen ausgelegt sind, werden OpAmps für den Betrieb mit Gegenkopplung und weitgehend gleichem Potenzial an beiden Eingängen entworfen. Schon bei einer differenziellen Eingangsspannung von wenigen Millivolt können die internen Schaltungen eines OpAmps in die Sättigung geraten. Die anschließende Erholungsphase kann sehr lang dauern und außerdem je nach dem Grad der Übersteuerung sowie von einem Baustein zum anderen stark variieren. Diese Schwankungen und Geschwindigkeitseinbußen aber können bei einem Komparator höchst unwillkommen sein.

Besitzt ein Operationsverstärker einen Rail-to-Rail-Ausgang und wird mit denselben Versorgungsspannungen betrieben wie die sättigende Logik, die er ansteuert (CMOS oder TTL), so bereitet die Schnittstelle keine Schwierigkeiten. Unterscheiden sich die Versorgungsspannungen für OpAmp und Logik jedoch, sind zusätzliche, unter Umständen recht komplexe Interface-Schaltungen erforderlich, um die richtigen Pegel zu erzeugen.

Noch etwas: Operationsverstärker besitzen meist eine hohe Impedanz und einen geringen Biasstrom am Eingang. Wird jedoch eine differenzielle Eingangsspannung von mehr als ein paar hundert Millivolt angelegt, kann sich dies ändern, und es kann zu den verschiedensten Arten nicht-idealen Verhaltens kommen. Größere Übersteuerungen können außerdem kleinere Schäden an den Eingangsstufen von Operationsverstärkers anrichten, die sich aufaddieren und langfristig die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen können, was bei der Entwicklung im Labor unter Umständen unentdeckt bleibt.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

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