Archiv der Kategorie: EPAP – Schaltungstipps

Massebezogene in differenzielle Signale bei Präzisionsverstärkern umsetzen

Dieser Schaltungstipp beschreibt eine hochgenaue Schaltung, die massebezogene in differenzielle Signale umsetzt und die Programmierung der Verstärkung über Widerstände ermöglicht.

Viele Anwendungen wie zum Beispiel Treiberschaltungen für moderne A/D-Wandler oder die Übertragung von Signalen über verdrillte Zweidrahtleitungen sowie Schaltungen zur Aufbereitung von HiFi-Audiosignalen benötigen differenzielle Signale um bessere Signal/Rausch-Verhältnisse, eine höhere Gleichtaktrauschimmunität und geringere Verzerrungen der zweiten Harmonischen zu erzielen. Aufgrund dieser Anforderungen ist eine Schaltung erforderlich, die massebezogene in differenzielle Signale (Single-Ended/Differential) wandeln kann.

Für viele Anwendungen reicht ein genauer, komplett differenzieller Verstärker mit geringer Leistungsaufnahme und integrierten Präzisionswiderständen wie der AD8476 völlig aus, um massebezogene in differenzielle Signale zu wandeln. Bei Applikationen, die eine höhere Genauigkeit verlangen, kann ein Präzisions-Operationsverstärker des Typs OP1177 mit dem AD8476 kaskadiert werden (Bild 1). Dieser „Single-Ended/Differential“-Wandler verfügt über Eigenschaften wie eine sehr hohe Eingangsimpedanz, ein Biasstrom von max. 2 nA, eine Offsetspannung von max. 60 µV und eine Offsetspannungsdrift von max. 0,7 µV/°C.

In dieser Rückkopplungsanordnung mit zwei Verstärkern bestimmt der Operationsverstärker (OPV) die Genauigkeit sowie das Rauschverhalten der Schaltung, während der differenzielle Verstärker die Wandlung „massebezogen/differenziell“ durchführt. Die Rückkopplung unterdrückt die Fehler des AD8476 – einschließlich Rauschen, Verzerrung, Offset und Offsetdrift – indem sie den differenziellen Verstärker in die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers einbindet. Die hohe Verstärkung des OPV bei offener Regelschleife übersteigt die des differenziellen Verstärkers. Somit dämpft die Rückkopplung die Fehler des AD8476 um die offene Schleifenverstärkung des Operationsverstärkers bezogen auf den Eingang.

Die Verstärkung (V) des „Single-Ended/Differential“-Wandlers in Bild 1 wird durch die externen Widerstände RF und RG eingestellt. Es gilt Gleichung 1.

Gleichung 1
Gleichung 1

Wie bei allen Rückkopplungen muss auf die Stabilität des Systems geachtet werden. Die Kaskade aus OP1177 und AD8476 bilden einen Operationsverstärker mit zusammengesetztem differenziellen Ausgang, dessen Schleifenverstärkung über die Frequenz dem Produkt der offenen Schleifenverstärkung des OP1177 und der geschlossenen Schleifenverstärkung des AD8476 entspricht.Eine minimale Verstärkung von zwei kann erzielt werden, indem man RF überbrückt und RGherausnimmt.

Daher verursacht die Bandbreite des AD8476 bei geschlossener Regelschleife eine Polstelle in der Übertragungsfunktion zur offenen Schleifenverstärkung des OP1177. Um die Stabilität sicherzustellen, sollte die Bandbreite des AD8476 höher als die Frequenz des OP1177 bei Eins-Verstärkung sein.

Diese Anforderung wird erleichtert, wenn die Schaltung eine geschlossene Schleifenverstärkung von mehr als 2 aufweist, da das Widerstands-Rückkopplungsnetzwerk die Eins-Verstärkungsfrequenz des OP1177 um den Faktor RG/(RG+RF) effizient reduziert. Da der AD8476 eine Bandbreite von 5 MHz aufweist und der OP1177 eine Eins-Verstärkungsfrequenz von 1 MHz bietet, zeigt die Schaltung in Bild 1 bei beliebiger Frequenz keine Stabilitätsprobleme.

Beim Einsatz eines Operationsverstärkers, der eine wesentlich größere Eins-Verstärkungsfrequenz als die Bandbreite des differenziellen Verstärkers aufweist, kann ein die Bandbreite begrenzender Kondensator CF in die Schaltung integriert werden (Bild 1). Der Kondensator CF bildet mit dem Rückkopplungswiderstand RF einen Integrator. Die Bandbreite (BW) der gesamten Schaltung wird somit nach Gleichung 2 bestimmt.

Gleichung 2
Gleichung 2

Falls diese reduzierte Bandbreite niedriger als die Bandbreite der geschlossenen Regelschleife des differenziellen Verstärkers ist, verhält sich die Schaltung stabil. Diese die Bandbreite begrenzende Technik kann auch bei einer Verstärkung von 2 verwendet werden, indem man RGherausnimmt.

Die Autoren:

Sandro Herrera und Moshe Gerstenhaber arbeiten als Applikationsingenieure bei Analog Devices in Wilmington/USA.

Rauscharmer Verstärker mit wählbarer Verstärkung

Für Datenerfassungssysteme, Sensorsignalaufbereitungslösungen und andere Anwendungen mit Eingangssignalen, die über einen großen Bereich variieren, sind Verstärker mit einstellbarer Verstärkung erforderlich. Bei herkömmlichen Verstärkermodellen mit einstellbarer Verstärkung werden Widerstände über Schalter in der Rückkopplungsschleife mit dem invertierenden Eingang verbunden.

Allerdings verschlechtert der Schalterwiderstand das Rauschverhalten des Verstärkers, bringt zusätzliche Kapazitäten in den invertierenden Eingang ein und trägt zum nichtlinearen Verstärkungsfehler bei. Das zusätzliche Rauschen und die zusätzliche Kapazität stören besonders dann, wenn mit rauscharmen Verstärkern gearbeitet wird. Der nichtlineare Verstärkungsfehler hingegen ist in Präzisionsanwendungen problematisch…

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Umgebungstemperatursensor mit Stromausgang

Kernstück der in Bild 1 gezeigten Schaltung ist der Thermoelement-Verstärker AD8494, der als eigenständiges Thermometer mit einer Ausgangsempfindlichkeit von 5 mV/°C arbeitet. Legt man beide Eingänge des Bausteins an Masse, wird die Thermoelement-Sensorfunktion außer Betrieb gesetzt und der Chip gibt eine Spannung aus, die proportional zur Temperatur des im Chip integrierten Sensors ist (TA).

Diese Ausgangsspannung wird präzise in einen Strom umgewandelt und anschließend mit dem MOSFET und den Präzisionswiderständen R1 und R2 mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor wieder in eine Spannung umgesetzt…

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Strommessungen im Gleichtaktbereich von –270 bis +270 V

Zur Lasttromerfassung werden Widerstände sowohl in High-Side- als auch in Low-Side-Applikationen gemessen. Üblicherweise wird dabei ein Messwiderstand (Rs) in Reihe mit der Last geschaltet, durch welche der zu messende Strom fließt. Der fließende Strom generiert über dem Widerstand einen messbaren Spannungsabfall (Vs). Der Wert des Shunt-Widerstands hängt vom Bereich des zu messenden Laststromes ab.

Der Wahl des Widerstandswertes wird durch die erforderliche Kleinsignalgenauigkeit und den maximal zulässigem Spannungsabfall eingegrenzt. Hohe Werte für Rs liefern eine höhere Genauigkeit bei niedrigeren Strömen. Niedrige Werte für Rs minimieren den Spannungsverlust auf der Lastversorgung. Eine der größten Herausforderungen bei der Strommessung ist, dass der gemessenen Spannung (Vs) eine wesentlich höheren Spannung auf der Versorgungsleitung gegenübersteht…

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Auflösung beim Messen kleiner Temperaturspannen verbessern

Der Thermoelement-Verstärker AD8494 enthält einen Temperatursensor, der normalerweise für die Vergleichsstellen- Kompensation verwendet wird. Legt man die Thermoelement-Eingänge jedoch an Masse, kann der Baustein auch als eigenständiges Thermometer verwendet werden. Derart beschaltet, erzeugt der Eingangsverstärker zwischen Ausgangs- und Referenz-Pin eine temperaturabhängige Spannung von 5 mV/°C.

Nachteilig ist hierbei allerdings die geringe Auflösung beim Messen kleiner Temperaturspannen…

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Die Batterielaufzeit von Mobilgeräten verlängern

Zahlreiche Mobilgeräte werden mit einem wiederaufladbaren Lithium-Ionen- Akku mit einer einzigen Zelle gespeist. Im vollständig aufgeladenen Zustand liefert der Akku eine Spannung von 4,2 V. Diese Spannung sinkt beim Entladen der Batterie auf bis zu 3 V. Sinkt die Batteriespannung unter 3 V, schaltet das System ab und schützt somit die Batterie vor Beschädigung durch Tiefenentladung.

Wird ein LDO (Low-Dropout Regler) verwendet, um eine Spannung von 3,3 V zu erzeugen, schaltet das System schon bei VINmin. = VOUT + VDROPOUT = 3,3 V + 0,2 V = 3,5 V ab. In diesem Fall wird lediglich 70% der im Akku gespeicherten Energie genutzt…

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Den Gleichtaktbereich eines Verstärkers auf ±425 V erweitern

Der in Bild 1 abgebildete Schaltungstipp zeigt, wie sich der Gleichtaktspannungsbereich des Differenzverstärkers A1 (AD629) auf einen Wert von ±425V erweitern lässt. Über die Widerstände R1 und R2 wird die Gleichtakteingangsspannung gemessen. Die gemessene Spannung wird invertiert und mit dem Operationsverstärker A2 (AD8671) heruntergeteilt. Dabei gilt: G = –R3/(R1 || R2). R1 und R2 müssen große Werte haben, um die Belastung am Operationsverstärker A2 zu minimieren.

Dieses Signal wird an die Referenzpins des Differenzverstärkers A1 angelegt. Es wird invertiert, so dass es gegenteilig zur Gleichtakteingangsspannung agiert, die Spannung an den Knoten 1 und 2 senkt und den Gleichtaktbereich des Systems erhöht…

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Preiswerter, differenzieller Video-Empfänger

Infotainment- und sichtgestützte Sicherheitssysteme für Fahrzeuge verlangen preiswerte und leistungsfähige Video- Empfänger, um Signale von Rückfahrkameras, Unterhaltungssystemen auf Rücksitzen und anderen externen Videoquellen zu verarbeiten. Bild 1 zeigt einen differenziellen Empfänger mit geringem Stromverbrauch, der den Operationsverstärker ADA4851 nutzt, um ein differenzielles Composite-Video-Signal in ein unsymmetrisches Signal zu wandeln und dabei Gleichtaktspannung und Rauschen zu entfernen. Gleichzeitig erfolgt eine AC-Entkopplung des Eingangs, um einen Kurzschlussschutz zu erhalten…

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Verlustarmer, automatischer Polwender mit minimalem Aufwand

Beim „Energy harvesting“, dem Anzapfen kostenloser Umgebungsenergie zum autarken Betrieb von Sensoren und Ähnlichem, stehen häufig nur sehr kleine Spannungen von größenordnungsmäßig 1 V zur Verfügung, die von einem Aufwärtswandler noch auf gebräuchliche Werte von 3 oder 5 V konvertiert werden müssen. Wenn zur Energiegewinnung eine mechanische Bewegung oder Temperaturdifferenz ausgenutzt wird, tritt oftmals erschwerend ein häufiger Richtungs- und damit Polaritätswechsel hinzu, wie es in Bild 1 beispielhaft für einen Thermoelektrischen Generator (TEG) dargestellt ist…

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Beleuchtungen bei Dämmerung automatisch einschalten

Straßenlampen sowie Not- und Sicherheitsbeleuchtungen müssen bei einsetzender Dämmerung automatisch einschalten. Der Widerstandswert eines Fotowiderstands oder anderer lichtempfindlicher Widerstände (LDR) ändert sich mit der Helligkeit. So reduziert sich der Widerstand eines LDR von mehreren MOhm bei Dunkelheit auf einige Hundert Ohm bei hellem Tageslicht. Damit kann zwischen einer oder zwei Glühlampen, direktem Sonnenlicht und kompletter Dunkelheit sowie allen anderen Lichtsituationen dazwischen unterschieden werden…

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