Wenn Entwickler mit Signalen aus der realen Welt arbeiten, sind sie häufig mit der Herausforderung konfrontiert, ein kleines Signal aus einer großen und veränderlichen Gleichtaktspannung herauszufiltern. Ein idealer Operationsverstärker (OPV) würde die Gleichtaktspannung unterdrücken und nur das differenzielle Signal verstärken. Reale OPVs erzeugen jedoch Offset-Spannungen bezogen auf die Gleichtaktspannung. Dies begrenzt die Genauigkeit des verstärkten Signals. Deshalb enthalten die meisten Datenblätter von OPVs Spezifikationen zum Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR, Common Mode Rejection Ratio, üblicherweise in dB oder mV/V ausgedrückt) und Messkurven, die die CMRR-Änderung über die Temperatur und Zeit darstellen. Diese können verwendet werden, um zu berechnen, wie gut das Design das Gleichtaktsignal ignoriert. Der Betrag des vom Gleichtakt induzierten Offsets oder Fehlers kann mit
CMR(dB) = 20log (CMRR (V/V)) berechnet werden.
Um den bestmöglichen Dynamikbereich zu erzielen, benutzen Entwicklungsingenieure OPVs mit höheren Spannungen, was direkt zu weiteren Ein- und Ausgangsbereichen führen kann. Je größer jedoch der Gleichtaktbereich ist, desto wichtiger ist es, CMRR in Betracht zu ziehen. Hier ein Beispiel: Betrachten wir ein differenzielles 100-mV-Signal (Spitzenwert), das von einer Gleichtaktspannung von 50 V überlagert und in einen Verstärker mit einer differenziellen Verstärkung von 100 gespeist wird. Ein OPV mit einer typischen CMRR von 82 dB würde aufgrund des Gleichtakts einen Fehler von
4 mV am Ausgang hervorrufen. Bei einem Spitzenausgangswert von 10 V ergibt dies einen Messbereichsfehler von 4 Prozent aufgrund des Gleichtakts.
Unterschiedliche Gleichtaktbereiche
Einige aktuelle Hochspannungs-OPVs besitzen ein CMRR über weite Eingangsbereiche. Der Over-the-Top-OPV LT6016 kann mit einem Gleichtaktbereich von bis zu 76 V über dem negativen Pegel arbeiten, unabhängig von der Versorgungsspannung. In unserem Beispiel kann man eine einzige Versorgungsspannung von nur 10 V oder bis zu 50 V verwenden, um das Signal zu verstärken. Das CMRR ist typisch 140 dB, was in einem Fehler von 5 µV am Eingang oder 0,5 mV am Ausgang – bei einer Verstärkung von 100 – resultiert.
Ein weiterer OPV, der Baustein LTC2057, arbeitet an Versorgungsspannungen von bis zu 60 V. Er nutzt eine driftfreie Eingangstopologie, um Änderungen über die Temperatur, Zeit, Eingangsgleichtaktbereich und Versorgungsspannung zu minimieren. Er hat ein CMRR von 150 dB, was in diesem Beispiel in einem Fehler von 1,6 µV am Eingang oder 160 µV bezogen auf den Ausgang resultieren würde. Der OPV LTC6090 erlaubt einen noch größeren Gleichtaktspannungsbereich. Dafür ausgelegt, um an bis zu 140 V zu arbeiten, erweitert sein Gleichtakteingangsbereich innerhalb 3 V seinen Pegel. Wenn wir unser Beispiel so modifizieren, dass das 100-mV-Signal auf einem Gleichtakteingangsspannungsbereich von bis zu 100 V reitet, dann würde der LTC6090 mit einem CMRR von 125 dB nur um 56 µV bezogen auf den Eingang oder 5,6 mV am Ausgang variieren.
Auswahl eines OPVs
Die Wahl zwischen diesen OPVs hängt aber auch noch von weiteren Erwägungen ab. Der LT6016 integriert viele Schutzfunktionen, was ihn zu einer guten Wahl für Applikationen macht, bei denen die Ein- und Ausgänge direkt mit dem PCB-Interface verbunden werden. Dieser OPV zeichnet sich zudem aus durch seine Fähigkeit mit Eingängen zu arbeiten, die deutlich über der Versorgungsspannung liegen – bis zu
76 V über dem negativen Pegel.
Der Baustein LTC2057 hat einen großen Dynamikbereich mit 5 µV Eingangs-Offsetspannung und der Fähigkeit, mit Eingangssignalen zu arbeiten, die innerhalb von 1,5 V einer 60-V-Versorgung liegen. Aufgrund seiner driftfreien Architektur ist seine Genauigkeit besser als die herkömmlicher OPVs bei Änderungen von Gleichtakt, Temperatur, Zeit und Spannungsversorgungsbereichs. Das Bauteil LTC6090 wurde für einen sehr weiten Versorgungsspannungsbereich bis zu 140 V entwickelt und bietet dabei eine fast so gute Genauigkeit wie das Modell LTC6016.
