Praktische Überlegungen zum Operationsverstärker

Echte Operationsverstärker haben im Vergleich zu einem „idealen“ Modell einige Mängel. Ein echtes Gerät weicht von einem perfekten Differenzverstärker ab. Eins minus eins darf nicht null sein. Es kann einen Offset wie ein analoger Zähler haben, der nicht auf Null gesetzt ist. Die Eingänge können Strom ziehen. Die Eigenschaften können mit Alter und Temperatur abweichen. Die Verstärkung kann bei hohen Frequenzen reduziert sein und die Phase kann sich vom Eingang zum Ausgang verschieben. Diese Unvollkommenheit kann bei einigen Anwendungen keine erkennbaren Fehler verursachen, bei anderen nicht akzeptable Fehler. In einigen Fällen können diese Fehler kompensiert werden. Manchmal ist ein Gerät mit höherer Qualität und höheren Kosten erforderlich.

Common-Mode-Gewinn

Wie bereits erwähnt, verstärkt ein idealer Differenzverstärker nur die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen. Wenn die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers kurzgeschlossen werden (wodurch sichergestellt wird, dass keine Potenzialdifferenz zwischen ihnen besteht), sollte sich die Ausgangsspannung bei keiner zwischen diesen beiden kurzgeschlossenen Eingängen und Masse angelegten Spannung ändern:

Spannung, die einem der Eingänge und Masse gemeinsam ist, als „V_Gleichtakt ” heißt in diesem Fall Gleichtaktspannung . Da wir diese gemeinsame Spannung variieren, sollte die Ausgangsspannung des perfekten Differenzverstärkers absolut konstant bleiben (keine Änderung des Ausgangs für jede beliebige Änderung des Gleichtakteingangs). Dies führt zu einer Gleichtaktspannungsverstärkung von Null.

Der Operationsverstärker, der ein Differenzverstärker mit hoher Differenzverstärkung ist, hätte idealerweise auch eine Gleichtaktverstärkung von Null. Im wirklichen Leben ist dies jedoch nicht leicht zu erreichen. Daher haben Gleichtaktspannungen immer einen gewissen Einfluss auf die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers.

Die Leistung eines echten Operationsverstärkers wird in dieser Hinsicht am häufigsten in Bezug auf seine Differenzspannungsverstärkung (wie stark er die Differenz zwischen zwei Eingangsspannungen verstärkt) im Vergleich zu seiner Gleichtaktspannungsverstärkung (wie viel er einen Gleichtaktverstärker verstärkt) gemessen Stromspannung). Das Verhältnis von ersterem zu letzterem wird als Gleichtakt-Ablehnungsverhältnis bezeichnet , abgekürzt als CMRR:

Ein idealer Operationsverstärker mit null Gleichtaktverstärkung hätte einen unendlichen CMRR. Echte Operationsverstärker haben hohe CMRRs, der allgegenwärtige 741 hat etwa 70 dB, was in Bezug auf ein Verhältnis etwas über 3.000 entspricht.

Da das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis in einem typischen Operationsverstärker so hoch ist, ist die Gleichtaktverstärkung in Schaltungen, in denen der Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung verwendet wird, normalerweise kein großes Problem. Wenn sich die Gleichtakteingangsspannung einer Verstärkerschaltung plötzlich ändern würde, wodurch eine entsprechende Änderung des Ausgangs aufgrund der Gleichtaktverstärkung erzeugt würde, würde diese Änderung des Ausgangs schnell als Gegenkopplung und Differenzverstärkung korrigiert (da viel größer als die Gleichtaktverstärkung) arbeitete, um das System wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Sicherlich könnte eine Änderung an der Ausgabe zu sehen sein, aber sie wäre viel kleiner als Sie vielleicht erwarten.

Zu beachten ist jedoch die Gleichtaktverstärkung in differenziellen Operationsverstärkerschaltungen wie Instrumentenverstärkern. Außerhalb des versiegelten Gehäuses des Operationsverstärkers und der extrem hohen Differenzverstärkung finden wir möglicherweise eine Gleichtaktverstärkung, die durch ein Ungleichgewicht der Widerstandswerte eingeführt wird. Um dies zu demonstrieren, führen wir eine SPICE-Analyse an einem Instrumentenverstärker mit kurzgeschlossenen Eingängen (keine Differenzspannung) durch und legen eine Gleichtaktspannung an, um zu sehen, was passiert. Zuerst führen wir die Analyse durch, die die Ausgangsspannung einer perfekt symmetrischen Schaltung zeigt. Wir sollten erwarten, dass sich die Ausgangsspannung nicht ändert, wenn sich die Gleichtaktspannung ändert:

Instrumentenverstärker v1 1 0 rin1 1 0 9e12 rjump 1 4 1e-12 rin2 4 0 9e12 e1 3 0 1 2 999k e2 6 0 4 5 999k e3 9 0 8 7 999k rload 9 0 10k r1 2 3 10k rgain 2 5 10k r2 5 6 10k r3 3 7 10k r4 7 9 10k r5 6 8 10k r6 8 0 10k .dc v1 0 10 1 .print dc v(9) .end 

v1 v(9) 0.000E+00 0.000E+00 1.000E+00 1.355E-16 2.000E+00 2.710E-16 3.000E+00 0.000E+00 Wie Sie sehen, ist die Ausgangsspannung v( 9) 4.000E+00 5.421E-16 ändert sich kaum für eine Gleichtakteingangsspannung 5.000E+00 0.000E+00 (v1), die von 0 6.000E+00 0.000E+00 bis 10 Volt durchweist. 7.000E+00 0.000E+00 8.000E+00 1.084E-15 9.000E+00 -1.084E-15 1.000E+01 0.000E+00 

Abgesehen von sehr kleinen Abweichungen (eigentlich aufgrund von Macken von SPICE und nicht aufgrund des tatsächlichen Verhaltens der Schaltung) bleibt der Ausgang dort stabil, wo er sein sollte:bei 0 Volt, ohne Eingangsspannungsdifferenz. Lassen Sie uns jedoch ein Widerstandsungleichgewicht in die Schaltung einführen, wodurch der Wert von R₅ . erhöht wird von 10.000 Ω auf 10.500 Ω, und sehen Sie, was passiert (die Netzliste wurde der Kürze halber weggelassen – das einzige, was geändert wurde, ist der Wert von R₅ ):

v1 v(9) 0.000E+00 0.000E+00 1.000E+00 -2.439E-02 2.000E+00 -4.878E-02 3.000E+00 -7.317E-02 Diesmal sehen wir eine signifikante Abweichung 4.000E+00 -9.756E-02 (von 0 bis 0.2439 Volt) in der Ausgangsspannung 5.000E+00 -1.220E-01 während die Gleichtakteingangsspannung 6.000E+00 -1.463E-01 von 0 auf 10 Volt durchstreicht wie zuvor. 7.000E+00 -1.707E-01 8.000E+00 -1.951E-01 9.000E+00 -2.195E-01 1.000E+01 -2.439E-01 

Unsere Eingangsspannungsdifferenz beträgt immer noch null Volt, die Ausgangsspannung ändert sich jedoch erheblich, wenn die Gleichtaktspannung geändert wird. Dies ist ein Hinweis auf eine Gleichtaktverstärkung, die wir zu vermeiden versuchen. Darüber hinaus ist es ein von uns selbst hergestellter Gleichtaktgewinn, der nichts mit Unvollkommenheiten in den Operationsverstärkern selbst zu tun hat. Bei einer stark temperierten Differenzverstärkung (eigentlich gleich 3 in dieser speziellen Schaltung) und keiner negativen Rückkopplung außerhalb der Schaltung wird diese Gleichtaktverstärkung in einer Instrumentensignalanwendung ungeprüft.

Es gibt nur eine Möglichkeit, diese Gleichtaktverstärkung zu korrigieren, und zwar das Abgleichen aller Widerstandswerte. Beim Entwerfen eines Instrumentenverstärkers aus diskreten Komponenten (anstatt einen in einem integrierten Gehäuse zu kaufen), ist es ratsam, mindestens einen der vier Widerstände, die mit dem letzten Operationsverstärker verbunden sind, fein einzustellen, um in der Lage zu sein, „ trim away“ eine solche Gleichtaktverstärkung. Die Bereitstellung der Mittel zum „Trimmen“ des Widerstandsnetzwerks hat auch zusätzliche Vorteile. Angenommen, alle Widerstandswerte sind genau so, wie sie sein sollten, aber eine Gleichtaktverstärkung existiert aufgrund einer Unvollkommenheit in einem der Operationsverstärker. Mit der Anpassungsvorkehrung könnte der Widerstand getrimmt werden, um diese unerwünschte Verstärkung zu kompensieren.

Eine Eigenart einiger Operationsverstärkermodelle ist die Latch-up-Ausgabe , normalerweise verursacht durch die Gleichtakteingangsspannung, die die zulässigen Grenzen überschreitet. Wenn die Gleichtaktspannung außerhalb der vom Hersteller angegebenen Grenzen liegt, kann der Ausgang plötzlich im High-Modus „verriegeln“ (bei voller Ausgangsspannung sättigen). Bei Operationsverstärkern mit JFET-Eingang kann ein Latch-up auftreten, wenn sich die Gleichtakteingangsspannung der negativen Versorgungsschienenspannung zu nahe kommt. Beim Operationsverstärker TL082 tritt dies beispielsweise auf, wenn die Gleichtakteingangsspannung auf etwa 0,7 Volt der negativen Spannung der Stromversorgungsschiene liegt. Eine solche Situation kann leicht in einer Einzelversorgungsschaltung auftreten, bei der die negative Stromversorgungsschiene geerdet ist (0 Volt) und das Eingangssignal frei auf 0 Volt schwingen kann.

Latch-up kann auch ausgelöst werden, wenn die Gleichtakteingangsspannung überschreitet Versorgungsschienenspannungen, negativ oder positiv. In der Regel sollten Sie niemals zulassen, dass die Eingangsspannung über die positive Versorgungsschienenspannung ansteigt oder unter die negative Versorgungsschienenspannung absinkt, selbst wenn der betreffende Operationsverstärker gegen Latch-up geschützt ist (wie dies beim 741 . der Fall ist). und 1458 Operationsverstärkermodelle). Zumindest kann das Verhalten des Operationsverstärkers unvorhersehbar werden. Im schlimmsten Fall kann die Art von Latch-up, die durch Eingangsspannungen ausgelöst wird, die die Versorgungsspannungen überschreiten, für den Operationsverstärker destruktiv sein.

Obwohl dieses Problem leicht zu vermeiden scheint, ist seine Möglichkeit wahrscheinlicher, als Sie vielleicht denken. Betrachten Sie den Fall einer Operationsverstärkerschaltung während des Einschaltens. Wenn die Schaltung vor die volle Eingangssignalspannung erhält Hat das eigene Netzteil Zeit genug, um die Filterkondensatoren aufzuladen, kann die Gleichtakt-Eingangsspannung kurzzeitig die Schienenspannungen des Netzteils leicht überschreiten. Wenn der Operationsverstärker Signalspannung von einem Schaltkreis empfängt, der von einer anderen Stromquelle versorgt wird, und seine eigene Stromquelle ausfällt, können die Signalspannung(en) die Spannungen der Stromversorgungsschiene für unbestimmte Zeit überschreiten!

Offsetspannung

Ein weiteres praktisches Problem für die Leistung von Operationsverstärkern ist der Spannungsoffset . Das heißt, der Effekt, dass die Ausgangsspannung etwas anderes als null Volt hat, wenn die beiden Eingangsanschlüsse kurzgeschlossen werden. Denken Sie daran, dass Operationsverstärker in erster Linie Differenzverstärker sind:Sie sollen die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangsanschlüssen verstärken und nicht mehr. Wenn diese Eingangsspannungsdifferenz genau null Volt beträgt, würden wir (idealerweise) erwarten, dass am Ausgang genau null Volt anliegen. In der realen Welt passiert dies jedoch selten. Selbst wenn der fragliche Operationsverstärker eine Gleichtaktverstärkung von Null (unendliches CMRR) hat, kann die Ausgangsspannung nicht Null sein, wenn beide Eingänge kurzgeschlossen sind. Diese Abweichung von Null wird als Offset bezeichnet .

Ein perfekter Operationsverstärker würde genau null Volt ausgeben, wenn beide Eingänge kurzgeschlossen und geerdet sind. Die meisten Operationsverstärker von der Stange treiben ihre Ausgänge jedoch auf einen gesättigten Pegel, entweder negativ oder positiv. Im oben gezeigten Beispiel ist die Ausgangsspannung bei einem Wert von positiven 14,7 Volt gesättigt, etwas weniger als +V (+15 Volt) aufgrund der positiven Sättigungsgrenze dieses speziellen Operationsverstärkers. Da der Offset in diesem Operationsverstärker den Ausgang auf einen vollständig gesättigten Punkt treibt, gibt es keine Möglichkeit zu sagen, wie viel Spannungs-Offset am Ausgang vorhanden ist. Wenn das +V/-V-Split-Netzteil eine ausreichend hohe Spannung hätte, wer weiß, vielleicht würde der Ausgang aufgrund der Offset-Effekte auf die eine oder andere Weise mehrere hundert Volt betragen!

Aus diesem Grund wird die Offsetspannung normalerweise in Form der äquivalenten Menge an Eingang . ausgedrückt Spannungsdifferenz, die diesen Effekt erzeugt. Mit anderen Worten, wir stellen uns vor, dass der Operationsverstärker perfekt ist (kein Offset), und eine kleine Spannung wird in Reihe mit einem der Eingänge angelegt, um die Ausgangsspannung in die eine oder andere Richtung von Null weg zu zwingen. Da die Differenzverstärkungen der Operationsverstärker so hoch sind, muss die Zahl für die „Eingangs-Offsetspannung“ nicht viel sein, um das zu berücksichtigen, was wir bei kurzgeschlossenen Eingängen sehen:

Die Offsetspannung führt dazu, dass in jeder Operationsverstärkerschaltung geringfügige Fehler auftreten. Wie also kompensieren wir das? Im Gegensatz zur Gleichtaktverstärkung gibt es normalerweise vom Hersteller Vorkehrungen, um den Offset eines verpackten Operationsverstärkers zu trimmen. Normalerweise sind zwei zusätzliche Klemmen am Op-Amp-Paket für den Anschluss eines externen „Trimm“-Potentiometers reserviert. Diese Verbindungspunkte sind mit offset null . gekennzeichnet und werden so allgemein verwendet:

Bei einzelnen Operationsverstärkern wie dem 741 und 3130 sind die Offset-Null-Verbindungspunkte die Pins 1 und 5 des 8-Pin-DIP-Gehäuses. Bei anderen Operationsverstärkermodellen können sich die Offset-Null-Anschlüsse an anderen Pins befinden und / oder eine geringfügig unterschiedliche Konfiguration des Trimmpotentiometeranschlusses erforderlich sein. Einige Operationsverstärker bieten überhaupt keine Offset-Null-Pins! Weitere Informationen finden Sie in den Spezifikationen des Herstellers.

Bias Current

Eingänge eines Operationsverstärkers haben extrem hohe Eingangsimpedanzen. Das heißt, die Eingangsströme, die in die beiden Eingangssignalanschlüsse eines Operationsverstärkers ein- oder austreten, sind extrem gering. Für die meisten Zwecke der Analyse von Operationsverstärkerschaltungen behandeln wir sie so, als ob sie überhaupt nicht existieren würden. Wir analysieren die Schaltung so, als ob absolut kein Strom in die Eingangsanschlüsse ein- oder ausgeht. Dieses idyllische Bild stimmt jedoch nicht ganz. Operationsverstärker, insbesondere Operationsverstärker mit bipolaren Transistoreingängen, müssen eine gewisse Strommenge durch ihre Eingangsanschlüsse führen, damit ihre internen Schaltungen richtig vorgespannt werden. Diese Ströme werden logischerweise Bias-Ströme genannt . Unter bestimmten Bedingungen können Vorspannungsströme von Operationsverstärkern problematisch sein. Die folgende Schaltung veranschaulicht eine dieser Problembedingungen:

Auf den ersten Blick sehen wir bei dieser Schaltung keine offensichtlichen Probleme. Ein Thermoelement, das eine kleine Spannung proportional zur Temperatur erzeugt (eigentlich eine Spannung proportional zur Differenz in der Temperatur zwischen der Messstelle und der „Referenz“-Verbindung, die gebildet wird, wenn die Legierungs-Thermoelementdrähte mit den Kupferdrähten verbunden sind, die zum Operationsverstärker führen) den Operationsverstärker entweder positiv oder negativ ansteuert. Mit anderen Worten, dies ist eine Art Komparatorschaltung, die die Temperatur zwischen der Endübergangsstelle des Thermoelements und der Vergleichsstelle (in der Nähe des Operationsverstärkers) vergleicht. Das Problem ist folgendes:Die vom Thermoelement gebildete Drahtschleife bietet keinen Weg für beide Eingangs-Bias-Ströme, da beide Bias-Ströme versuchen, in die gleiche Richtung zu gehen (entweder in den Operationsverstärker oder aus ihm heraus).

Damit diese Schaltung richtig funktioniert, müssen wir einen der Eingangsdrähte erden, wodurch ein Weg zur (oder von) Masse für beide Ströme bereitgestellt wird:

Nicht unbedingt ein offensichtliches Problem, aber ein sehr reales!

Eine andere Möglichkeit, wie Eingangs-Bias-Ströme zu Problemen führen können, besteht darin, dass unerwünschte Spannungen über Schaltungswiderstände abfallen. Nehmen Sie zum Beispiel diese Schaltung:

Wir erwarten, dass eine Spannungsfolgerschaltung wie die obige die Eingangsspannung genau am Ausgang wiedergibt. Aber was ist mit dem Widerstand in Reihe mit der Eingangsspannungsquelle? Wenn überhaupt ein Bias-Strom durch den nicht invertierenden (+) Eingang fließt, fällt eine gewisse Spannung über R_in . ab , wodurch die Spannung am nichtinvertierenden Eingang ungleich der tatsächlichen V_in . wird Wert. Bias-Ströme liegen normalerweise im Mikroampere-Bereich, daher fällt der Spannungsabfall über R_in wird nicht viel sein, es sei denn, R_in es ist sehr groß. Ein Beispiel für eine Anwendung, bei der der Eingangswiderstand (R_in ) würde sehr groß sein, ist die von pH-Sondenelektroden, bei denen eine Elektrode eine ionendurchlässige Glasbarriere enthält (ein sehr schlechter Leiter mit einem Widerstand von mehreren Millionen Ω).

Wenn wir tatsächlich eine Op-Amp-Schaltung für die Messung der pH-Elektrodenspannung bauen würden, würden wir wahrscheinlich einen FET- oder MOSFET (IGFET)-Eingangs-Op-Amp anstelle eines mit Bipolartransistoren (für weniger Eingangs-Bias-Strom) verwenden wollen. Aber selbst dann können geringfügige Bias-Ströme zu Messfehlern führen, daher müssen wir einen Weg finden, sie durch gutes Design zu verringern.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, basiert auf der Annahme, dass die beiden Eingangs-Bias-Ströme gleich sind. In Wirklichkeit sind sie oft fast gleich, der Unterschied zwischen ihnen wird als Eingangs-Offsetstrom bezeichnet . Wenn sie gleich sind, sollten wir in der Lage sein, die Auswirkungen des Spannungsabfalls des Eingangswiderstands auszugleichen, indem wir einen gleichen Widerstandswert in Reihe mit dem anderen Eingang einfügen, wie folgt:

Mit dem zusätzlichen Widerstand, der der Schaltung hinzugefügt wird, liegt die Ausgangsspannung näher an V_in als zuvor, auch wenn ein gewisser Versatz zwischen den beiden Eingangsströmen besteht.

Sowohl bei invertierenden als auch nicht invertierenden Verstärkerschaltungen wird der Vorspannungsstromkompensationswiderstand in Reihe mit dem nichtinvertierenden (+) Eingang geschaltet, um die Spannungsabfälle des Vorspannungsstroms im Teilernetzwerk zu kompensieren:

In beiden Fällen wird der Kompensationswiderstandswert durch Berechnung des Parallelwiderstandswerts von R₁ . bestimmt und R₂ . Warum ist der Wert gleich parallel Äquivalent von R₁ und R₂ ? Wenn wir das Superpositionstheorem verwenden, um zu berechnen, wie viel Spannungsabfall durch den Bias-Strom des invertierenden (-) Eingangs erzeugt wird, behandeln wir den Bias-Strom so, als ob er von einer Stromquelle innerhalb des Operationsverstärkers käme, und schließen alle Spannungsquellen kurz (V_in und V_out ). Dies ergibt zwei parallele Pfade für den Vorspannungsstrom (durch R₁ und durch R₂ , beide an Masse). Wir möchten die Wirkung des Vorspannungsstroms auf den nicht invertierenden (+) Eingang duplizieren, daher muss der Widerstandswert, den wir in Reihe mit diesem Eingang einfügen, gleich R₁ . sein parallel zu R₂ .

Ein verwandtes Problem, das gelegentlich von Studenten auftritt, die gerade lernen, Operationsverstärkerschaltungen aufzubauen, wird durch das Fehlen einer gemeinsamen Masseverbindung zur Stromversorgung verursacht. Es ist unerlässlich für die ordnungsgemäße Funktion des Operationsverstärkers, dass ein Anschluss der Gleichstromversorgung mit dem „Masse“-Anschluss des/der Eingangssignale verbunden ist. Dies stellt einen vollständigen Pfad für die Vorspannungsströme, Rückkopplungsströme und den Laststrom (Ausgangsstrom) bereit. Nehmen Sie zum Beispiel diese Schaltungsdarstellung, die eine ordnungsgemäß geerdete Stromversorgung zeigt:

Hier bezeichnen Pfeile den Weg des Elektronenflusses durch die Stromversorgungsbatterien, sowohl zum Versorgen der internen Schaltung des Operationsverstärkers (das darin befindliche „Potentiometer“, das die Ausgangsspannung steuert) als auch zum Versorgen der Rückkopplungsschleife der Widerstände R ₁ und R₂ . Nehmen wir jedoch an, dass die Masseverbindung für diese „aufgeteilte“ DC-Stromversorgung entfernt werden soll. Die Wirkung davon ist tiefgreifend:

Es dürfen keine Elektronen in den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers hinein- oder herausfließen, da der Weg zur Stromversorgung eine „Sackgasse“ ist. Somit fließen keine Elektronen durch den Masseanschluss links von R₁ , weder durch die Rückkopplungsschleife. Dies macht den Operationsverstärker effektiv nutzlos:Er kann weder Strom durch die Rückkopplungsschleife noch durch eine geerdete Last aufrechterhalten, da von keinem Punkt der Stromversorgung eine Verbindung zur Erde besteht.

Die Bias-Ströme werden ebenfalls gestoppt, da sie auf einem Weg zur Stromversorgung und zurück zur Eingangsquelle über Masse beruhen. Das folgende Diagramm zeigt (nur) die Bias-Ströme, wie sie durch die Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers, durch die Basisanschlüsse der Eingangstransistoren und schließlich durch die Stromversorgungsanschlüsse und zurück zur Erde fließen.

Ohne eine Erdungsreferenz an der Stromversorgung haben die Bias-Ströme keinen vollständigen Pfad für einen Stromkreis und sie werden angehalten. Da Bipolartransistoren stromgesteuerte Bauelemente sind, macht dies auch die Eingangsstufe des Operationsverstärkers nutzlos, da beide Eingangstransistoren durch den völligen Mangel an Basisstrom zum Abschalten gezwungen werden.

RÜCKBLICK:

• Op-Amp-Eingänge leiten normalerweise sehr kleine Ströme, die als Bias-Ströme bezeichnet werden , benötigt, um die erste Transistorverstärkerstufe innerhalb der Schaltung der Operationsverstärker richtig vorzuspannen. Vorspannungsströme sind klein (im Mikroampere-Bereich), aber groß genug, um bei einigen Anwendungen Probleme zu verursachen.
• Vorspannungsströme in beiden Eingängen müssen haben Pfade, die entweder zu einer der "Schienen" der Stromversorgung oder zur Erde fließen. Es reicht nicht aus, nur einen leitenden Pfad von einem Eingang zum anderen zu haben.
• Um Offsetspannungen zu beseitigen, die durch einen durch Widerstände fließenden Vorspannungsstrom verursacht werden, fügen Sie einfach einen äquivalenten Widerstand in Reihe mit dem anderen Eingang des Operationsverstärkers hinzu (ein sogenannter Kompensationswiderstand ). Diese Korrekturmaßnahme basiert auf der Annahme, dass die beiden Eingangs-Bias-Ströme gleich sind.
• Jede Ungleichheit zwischen den Vorspannungsströmen in einem Operationsverstärker stellt einen sogenannten Eingangs-Offsetstrom dar .
• Für den ordnungsgemäßen Betrieb des Operationsverstärkers ist es wichtig, dass an einem Anschluss der Stromversorgung eine Erdungsreferenz vorhanden ist, um vollständige Pfade für Vorspannungsströme, Rückkopplungsströme und Lastströme zu bilden.

Drift

Als Halbleiterbauelemente unterliegen Operationsverstärker bei Änderungen der Betriebstemperatur geringfügigen Verhaltensänderungen. Alle Änderungen der Operationsverstärkerleistung mit der Temperatur fallen unter die Kategorie der Operationsverstärker-Drift . Driftparameter können für Bias-Ströme, Offsetspannung und dergleichen angegeben werden. Einzelheiten zu einem bestimmten Operationsverstärker finden Sie im Datenblatt des Herstellers.

Um die Drift des Operationsverstärkers zu minimieren, können wir einen Operationsverstärker mit minimaler Drift auswählen und/oder unser Bestes tun, um die Betriebstemperatur so stabil wie möglich zu halten. Die letztgenannte Aktion kann das Bereitstellen einer gewissen Form der Temperatursteuerung für das Innere des Geräts beinhalten, in dem der/die Operationsverstärker untergebracht sind. Dies ist nicht so seltsam, wie es zunächst erscheinen mag. Von Laborstandard-Präzisions-Referenzspannungsgeneratoren beispielsweise ist manchmal bekannt, dass sie „Öfen“ verwenden, um ihre empfindlichen Komponenten (wie Zener-Dioden) auf konstanten Temperaturen zu halten. Wenn eine extrem hohe Genauigkeit über die üblichen Kosten- und Flexibilitätsfaktoren hinaus gewünscht wird, kann dies eine Option sein, die es wert ist, in Betracht gezogen zu werden.

RÜCKBLICK:

• Op-Amps sind als Halbleiterbauelemente anfällig für Temperaturschwankungen. Alle Schwankungen der Verstärkerleistung aufgrund von Temperaturänderungen werden als Drift bezeichnet . Drift wird am besten mit Umgebungstemperaturkontrolle minimiert.

Frequenzantwort

Mit ihren unglaublich hohen Differenzspannungsverstärkungen sind Operationsverstärker die besten Kandidaten für ein Phänomen, das als Feedback-Oszillation bekannt ist . You’ve probably heard the equivalent audio effect when the volume (gain) on a public-address or other microphone amplifier system is turned too high:that high pitched squeal resulting from the sound waveform “feeding back” through the microphone to be amplified again. An op-amp circuit can manifest this same effect, with the feedback happening electrically rather than audibly.

A case example of this is seen in the 3130 op-amp, if it is connected as a voltage follower with the bare minimum of wiring connections (the two inputs, output, and the power supply connections). The output of this op-amp will self-oscillate due to its high gain, no matter what the input voltage. To combat this, a small compensation capacitor must be connected to two specially-provided terminals on the op-amp. The capacitor provides a high-impedance path for negative feedback to occur within the op-amp’s circuitry, thus decreasing the AC gain and inhibiting unwanted oscillations. If the op-amp is being used to amplify high-frequency signals, this compensation capacitor may not be needed, but it is absolutely essential for DC or low-frequency AC signal operation.

Some op-amps, such as the model 741, have a compensation capacitor built in to minimize the need for external components. This improved simplicity is not without a cost:due to that capacitor’s presence inside the op-amp, the negative feedback tends to get stronger as the operating frequency increases (that capacitor’s reactance decreases with higher frequencies). As a result, the op-amp’s differential voltage gain decreases as frequency goes up:it becomes a less effective amplifier at higher frequencies.

Op-amp manufacturers will publish the frequency response curves for their products. Since a sufficiently high differential gain is absolutely essential to good feedback operation in op-amp circuits, the gain/frequency response of an op-amp effectively limits its “bandwidth” of operation. The circuit designer must take this into account if good performance is to be maintained over the required range of signal frequencies.

RÜCKBLICK:

• Due to capacitances within op-amps, their differential voltage gain tends to decrease as the input frequency increases. Frequency response curves for op-amps are available from the manufacturer.

Input to Output Phase Shift

In order to illustrate the phase shift from input to output of an operational amplifier (op-amp), the OPA227 was tested in our lab. The OPA227 was constructed in a typical non-inverting configuration (Figure below).

OPA227 Non-inverting stage

The circuit configuration calls for a signal gain of ≅34 V/V or ≅50 dB. The input excitation at Vsrc was set to 10 mVp, and three frequencies of interest:2.2 kHz, 22 kHz, and 220 MHz. The OPA227’s open loop gain and phase curve vs. frequency is shown in Figure below.

A_V and Φ vs. Frequency plot

To help predict the closed loop phase shift from input to output, we can use the open loop gain and phase curve. Since the circuit configuration calls for a closed loop gain, or 1/β, of ≅50 dB, the closed loop gain curve intersects the open loop gain curve at approximately 22 kHz. After this intersection, the closed loop gain curve rolls off at the typical 20 dB/decade for voltage feedback amplifiers, and follows the open loop gain curve.

What is actually at work here is the negative feedback from the closed loop modifies the open loop response. Closing the loop with negative feedback establishes a closed loop pole at 22 kHz. Much like the dominant pole in the open loop phase curve, we will expect phase shift in the closed loop response. How much phase shift will we see?

Since the new pole is now at 22 kHz, this is also the -3 dB point as the pole starts to roll off the closed loop again at 20 dB per decade as stated earlier. As with any pole in basic control theory, phase shift starts to occur one decade in frequency before the pole, and ends at 90 ^o of phase shift one decade in frequency after the pole. So what does this predict for the closed loop response in our circuit?

This will predict phase shift starting at 2.2 kHz, with 45 ^o of phase shift at the -3 dB point of 22 kHz, and finally ending with 90 ^o of phase shift at 220 kHz. The three Figures shown below are oscilloscope captures at the frequencies of interest for our OPA227 circuit. Figure below is set for 2.2 kHz, and no noticeable phase shift is present. Figure below is set for 220 kHz, and ≅45 ^o of phase shift is recorded. Finally, Figure below is set for 220 MHz, and the expected ≅90 ^o of phase shift is recorded. The scope plots were captured using a LeCroy 44x Wavesurfer. The final scope plot used a x1 probe with the trigger set to HF reject.

OPA227 Av=50dB @ 2.2 kHz

OPA227 Av=50dB @ 22 kHz

OPA227 Av=50dB @ 220 kHz

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Summer and Subtractor OpAmp Circuits Worksheet

• Inverting and Noninverting OpAmp Voltage Amplifier Circuits Worksheet