Operationelle Verstärker (Op-Amps) spielen weiter eine wichtige Rolle in Schaltkreisen, die in Verbindung mit den Analogsignalen von Systemprozessen stehen. Diese spannungsverstärkenden Geräte wurden für die Verwendung mit externen Feedback-Komponenten wie Widerständen und Kondensatoren zwischen ihren Ausgabe- und Eingangs-Terminals entwickelt.
Op-Amps gehören heute zu den am meisten verwendeten Elektronik-Bauteilen, es gibt sie in einer großen Zahl von Geräten, die in der Industrie, in der Wissenschaft und beim Endverbraucher Verwendung finden. Es gibt eine große Zahl von IC-Bausteinen, die als Operationsverstärker verwendet werden, um alle denkbaren Anwendungen von Standard Bipolar, Präzision, Highspeed, Rauscharm, Hochspannung etc. zu betreiben, sowohl in einer Standardkonfiguration wie auch mit internen Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFETs).
Seit der Erfindung des ersten Op-Amp durch Karl D. Swartzel, Jr. 1941 bei Bell Labs - er hatte die Form einer Vakuum-Röhre - bemühten sich viele Hersteller um die Entwicklung eines besseren Designs. Zu den Eigenschaften des „idealen” oder perfekten Op-Amp gehören eine unendliche Leerlaufverstärkung Ao, ein unendlicher Eingangswiderstand Rin, Null Ausgangswiderstand Rout, eine uneingeschränkte Bandbreite 0 bis ∞ und Null Offset (die Ausgabe ist genau Null, wenn der Eingang Null ist).
In der Realität sind die Hersteller der Op-Amps durch physikalische, elektrische und finanzielle Fakten gezwungen, bei der Entwicklung dieser Bausteine mit eben diesen Zwängen aufs Beste zu jonglieren.
Unbegrenzt sind bei Op-Amps allerdings weder die Verstärkung noch die Bandbreite. Sie haben typischerweise eine Leerlaufverstärkung, die als die Ausgangsverstärkung des Verstärkers definiert wird, ohne dass externe Feedbacksignale mit ihm verbunden sind. Bei einem typischen Operationsverstärker sind es 100dB mit DC (Null Hz). Diese Ausgangsverstärkung sinkt linear bis zu einer Frequenz hinunter zu einem Verstärkungsfaktor oder 1, bei etwa 1 MHz.
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Bei Anwendungen, die auch weiter die Leistungsgrenzen ausreizen oder neue Funktionen erfordern, sind viele neuere Verstärker hochoptimierte Schaltkreise für spezielle Zwecke oder ein bestimmtes Leistungsniveau, meint Brian Black, Marketing Manager bei Linear Technology. Black führt das Beispiel eines Op-Amp an, der als Transimpedanzverstärker in einer Fotodioden-Anwendung konfiguriert wurde. Linear Technology entwickelte zwei Op-Amps mit stabilem Verstärkungsfaktor - den LTC6268 (siehe Abbildung 1) und den LTC6269 - beide sind optimiert für Schaltkreisanwendungen mit hoher Impedanz.
Abbildung 1: der Op-Amp LTC6268 von Linear Technology. (Quelle: Linear Technology)
Linear Technology entwickelte die Op-Amps mit einer niedrigen Eingangskapazität von 0,45 pF und einem niedrigen Breitband-Rauschstrom / einer niedrigen Breitband-Rauschspannung von jeweils 4,3 nV/√Hz @ 1 MHz und 5,5 fA√Hz @ 100 kHz. Die Op-Amps erreichen eine Verstärkungsbandbreite von 4 GHz.
Diese Op-Amps mit ihren Leistungen über besser integrierte Analoglösungen hinaus werden mehr in Hochleistungssystemen und weniger in Consumer-Elektronik eingesetzt, meint John Caldwell, Systemingenieur bei Audio Operational Amplifiers für Texas Instruments. „Unternehmen, die Datenerfassungssysteme für Test- und Messanwendungen oder industrielle Prozesskontrolle entwickeln, sind sehr an Op-Amps interessiert, während ein Unternehmen, das Bluetooth-Lautsprecher baut, vielleicht keine Op-Amps braucht, weil ihr Produkt mit einer integrierten Lösung einfacher und billiger gebaut werden kann.”
Eine bleibende Herausforderung bei der Entwicklung von Op-Amps ist der Versuch, bei geringem Stromverbrauch möglichst rauscharm zu sein, sagt Dwight Byrd, Marketing Manager für Op-Amps bei Texas Instruments.
„Ein wichtiges Problem, mit dem wir bei TI zu tun haben, ist der Bau von stromsparenden Endstufen, die in kapazitive Lasten hinein stabil bleiben. Op-Amps können so gebaut werden, dass sie extrem wenig Strom verbrauchen, wenn sie niemals mit einer kapazitiven Last interagieren. Das ist in der wirklichen Welt aber nicht so. Der Anwendungsschaltkreis, die PC-Platine und selbst das IC-Gehäuse können zur Kapazität beitragen, die einen nicht sauber entwickelten Op-Amp destabilisieren können. Die Lösung dieses Problems bei einem möglichst niedrigen Stromverbrauch bleibt eine Hürde bei der Entwicklung.”
Bessere Entwicklungstechniken haben auch die Leistungen der Op-Amps verbessert. Byrd von Texas Instruments nennt als Beispiel für den TL072 des Unternehmens (Abbildung 2), der - mit einem Breitband-Rauschspannungswert von 18 nV/√Hz - früher als rauscharmer Verstärker galt.
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Nach Aussage von Byrd bietet Texas Instruments jetzt den OPA170 an, dessen Breitband-Rauschspannung 18 nV√Hz beträgt, der aber nur ein Zehntel des Stroms benötigt (110 µA verglichen mit 1,4 mA). Op-Amps mit JFET-Eingang wie der OPA827 erreichen jetzt den Sub-4 nV/√Hz Rauschbereich, und bipolare Op-Amps wie der OPA211 und der LME49990 liegen dicht bei 1 nV√Hz.
Abbildung 2: Der TL072 Op-Amp von Texas Instruments. (Quelle: Texas Instruments)
Moderne Trim-Technologien und Chopper-Verstärkertechnologien ist auch die Verringerung von DC-Fehlern wegen Offset-Spannungen und Temperaturverschiebungen zu verdanken, sagt Byrd von Texas Instruments.
Mit weiter sinkenden Versorgungsspannungen in analogen Schaltkreisen unter 5 V bis 3,3 V und manchmal bis 1,8 V gibt es immer wieder neue Op-Amps, die mit niedrigen Spannungen arbeiten.
„Um die geringere Eingangsspannung zu kompensieren und sogar einen besseren Klirrfaktor zu erzielen, bieten heute viele Treiber für Analog-Digital-Wandler Differenzialeingänge an”, sagt Brian Black von Linear Technology.
Voll differenziale Verstärker wie der LTC6363 von Linear Technology haben Differenzialeingänge und können Single-Ended-Eingänge oder Differenzialeingänge verarbeiten. Der LTC6363 ist überdies repräsentativ für den Industrietrend zu Op-Amps mit einer Rail-to-Rail Ausgabe (das Ausgangssignal kann von der niedrigsten bis zur höchsten Spannungsversorgung reichen). Der Op-Amp muss einen Spannungsbereich von 2,8 bis 11 V bedienen. Er zeigt eine geringe Verzerrung von 115 dB bei 2 kHz und eine kurze Einschwingzeit von 780 ns bis 18-bit, 8 V Peak-to-Peak-Ausgabe.
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Das Erreichen der Leistungsziele in Op-Amps wird durch die verstärkte Verwendung der IC-Gerätemodellierung und von Software-Tools für das Layout von Schaltkreisen immer einfacher, meint Dwight Byrd von Texas Instruments.
„Nun gehört zum Design-Prozess auch die Prüfung, inwieweit parasitäre Störungen im IC-Layout die Funktionalität und die Leistung des Schaltkreises beeinträchtigen. Durch die Untersuchung der parasitären Effekte verringern wir das Risiko von Überraschungen, nachdem wir unser Silizium bekommen haben, wie zum Beispiel Einbußen bei der Gleichtaktunterdrückung wegen Fehlern bei den Eingangskapazitäten eines Verstärkers.”