Auswahl des richtigen Präzisionsoperationsverstärkers zur einfachen Entwicklung analoger Frontends

Erfahrene Schaltungsentwickler wissen, dass die Zeit, die sie für die sorgfältige Auswahl eines bestimmten Operationsverstärkers für ein analoges Frontend (AFE) oder einen analogen Signalkanal aufwenden, gut genutzt ist. Dieses winzige Bauteil, oft mit nur acht Anschlüssen, hat die bescheiden klingende, aber lebenswichtige Aufgabe, ein kleines und oft empfindliches Sensorausgangssignal zu verstärken, zu puffern und zu filtern.

Die Verwendung eines geeigneten Operationsverstärkers stellt sicher, dass die Leistung des Signalkanals den Zielvorgaben entspricht, und vereinfacht die Signalverarbeitung und die Analysealgorithmen, die anschließend mit dem digitalisierten Signal durchgeführt werden. Durch die Bereitstellung der richtigen Kombination von Spezifikationen für Verstärkung, Eingangsbereich, Rauschen, Stabilität und andere Attribute kann diese einzelne Komponente den frustrierenden Debugging-Aufwand bei der Suche nach schwer fassbaren Fehlern und Dateninkonsistenzen minimieren.

Wie der verstorbene Experte für analoge Komponenten und Schaltungen Bob Pease oft bemerkte: „Ein guter Operationsverstärker ist mehr wert als tausend Gatter“. Er meinte dies sowohl im übertragenen als auch im wörtlichen Sinne: Die richtige Wahl des Operationsverstärkers kann Ihnen in der Digital- und Softwarewelt eine Menge Kopfschmerzen ersparen.

Die Wahl des „besten“ Operationsverstärkers für ein AFE ist oft eine Herausforderung, da die vielen Spezifikationen eines Operationsverstärkers auf der Suche nach einem Gleichgewicht zwischen Kompromissen beruht. Diese Attribute müssen mit den relativen Gewichtungen für die Leistungsprioritäten des Projekts in Einklang gebracht werden. Zum Glück gibt es neue Operationsverstärker, die diese Kompromisse verringern.

Ein Beispiel ist der ADA4510-2 von Analog Devices, ein hochpräziser Zweikanal-Operationsverstärker für 40 Volt. Er zeichnet sich durch einen niedrigen Eingangsvorspannungsstrom, eine niedrige Offset-Spannung, eine geringe Offset-Spannungsdrift, ein geringes Rauschen und einen Rail-zu-Rail-Eingang und -Ausgang in einem achtpoligen schlanken SOIC-Gehäuse aus. Er kann an nahezu jedem Punkt der Signalkette eingesetzt werden, einschließlich der Erfassung, Aufbereitung und Ansteuerung der Ausgänge (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der ADA4510-2 kann Präzisionsfunktionen an vielen kritischen Punkten des AFE und entlang der gesamten analogen Signalkette bereitstellen. (Bildquelle: Analog Devices)

Diese Komponente beseitigt viele der Herausforderungen, auf die Designer bei der Auswahl eines Verstärkers für eine Signalkette stoßen. Auch wenn die Prioritäten bei den Anwendungen unterschiedlich sind, kann dieser Operationsverstärker bei vielen von ihnen eine hervorragende Performance erbringen, z. B. bei elektronischen Test- und Messgeräten, Datenerfassungssystemen, automatisierten Testgeräten, medizinischen Instrumenten, gemultiplexten Eingangssignalketten, Präzisionsstrommessungen und Fotodiodenverstärkern.

Ein Großteil der verbesserten Performance ist auf die firmeneigene DigiTrim-Technik zurückzuführen. DigiTrim korrigiert alle Offset-Spannungen und Drifts, die durch mechanische Spannungen aufgrund von Montage- und Verpackungseffekten verursacht werden, zusätzlich zu den bereits getrimmten Bare-Die-Eigenschaften.

Mit dieser patentierten Technik erreicht der ADA4510-2 eine ausgezeichnete niedrige Offset-Drift (±70 Nanovolt pro Grad Celsius (nV/°C) typisch, ±500 nV/°C maximal) und eine niedrige Offset-Spannung (±5 Mikrovolt (μV) typisch, ±20 μV maximal), was die temperaturabhängigen Kalibrierungen in Präzisionsdesigns vereinfacht. Darüber hinaus enthält das Datenblatt typische Werte und Mindest- bzw. Höchstwerte (je nach Fall) für alle kritischen Parameter.

Layout und Absicherung

Bei vielen analogen Bauelementen, insbesondere bei Präzisionsbauelementen wie dem ADA4510-2, ist die sorgfältige Berücksichtigung von Layout-Details und Feinheiten unerlässlich, um ihr Leistungspotenzial zu erreichen. Da der ADA4510-2 über extrem hochohmige Eingänge verfügt, wird die Leistung des Low-Bias-Eingangs durch jegliche Nebenschlussimpedanz aufgrund von Ableitwiderständen und parasitären Kapazitäten im Leiterplattenlayout stark beeinträchtigt. Das Datenblatt für den ADA4510-2 enthält weitere Einzelheiten.

Im Datenblatt wird darauf hingewiesen, dass zum Schutz vor parasitärem Leckstrom eine Absicherung („Guarding“) erforderlich sein kann, das den Spannungsgradienten am Eingangsknoten reduziert. Guarding ist eine bewährte Technik, bei der ein Leiter mit niedriger Impedanz einen Knoten mit hoher Impedanz umgibt und auf die Spannung dieses Knotens gebracht wird. Er dient zur Pufferung des Leckstroms, indem er ihn vom empfindlichen Knotenpunkt weg und in den niederohmigen Guard ableitet (Abbildung 2).

Abbildung 2: „Guarding“ ist eine Technik zur Minimierung der nachteiligen Auswirkungen von Leckstrom an einem hochohmigen Eingang. Das obere Bild zeigt das Guarding-Konzept anhand eines Schaltplans; das untere Bild zeigt die Umsetzung des Guarding-Layouts auf einer Leiterplatte. (Bildquelle: Analog Devices)

Erste Schritte mit einem Evaluierungsboard

Anstatt Zeit mit der Herstellung eines eigenen Testlayouts zu verbringen, um die Eignung des ADA4510-2 für Ihre Anwendung zu beurteilen, können Sie mit einem vom Hersteller bereitgestellten und optimierten Evaluierungsboard Zeit sparen und eine bessere Performance erzielen. Zu diesem Zweck bietet Analog Devices das EVAL-ADA4510-2ARZ an (Abbildung 3). Dieses kompakte Design verwendet SMT-Bauteile (Surface Mount Technology) in der Standardgröße 0603 (0,06 × 0,03 Zoll) , mit Ausnahme von Bypass-Kondensatoren und Abschlusswiderständen.

Abbildung 3: Das Evaluierungsboard EVAL-ADA4510-2ARZ ist ein kompaktes, praktisches und optimiertes Werkzeug zum Testen des ADA4510-2 und zur Bewertung seiner Eigenschaften in einer Zielanwendung. (Bildquelle: Analog Devices)

Dieses Evaluierungsboard bietet eine Vielzahl von unbestückten Widerstands- und Kondensator-Footprints, die dem Benutzer eine große Auswahl und Flexibilität bei der Implementierung verschiedener anwendungsorientierter Schaltungen bieten. Außerdem ist er für Fotodioden-Sensoren vorgesehen, die eine einfache Konfiguration eines Transimpedanzverstärkers (TIA) ermöglichen. Das Layout umfasst das „Garding“, um die für TIA-Anwendungen vorgeschriebenen geringen Leckströme und parasitären Kapazitäten zu gewährleisten.

Das Board ist mit kantenmontierten SMA-Anschlüssen ausgestattet, um die Anbindung an Testgeräte und andere Schaltungen zu erleichtern. Das siebenseitige Benutzerhandbuch UG-2133 enthält Informationen zur Einrichtung, ein schematisches Diagramm, ein Leiterplatten-Layoutmuster für die Ober- und Unterseite sowie eine Stückliste für Designer, die es als Designleitfaden verwenden möchten.

Fazit

Die Wahl des richtigen Operationsverstärkers ist entscheidend für die Entwicklung eines Hochleistungs-AFE. Die Verwendung eines Präzisions-Operationsverstärkers wie des ADA4510-2 mit seiner proprietären Trimming-Technologie minimiert die Signalketten-Drift und das Rauschen, die die Leistung beeinträchtigen könnten.

Verwandte Inhalte (alle von Analog Devices)

• ADA4510-2 Datenblatt

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ada4510-2.pdf

• U-2133 EVAL-ADA4510-2ARZ Benutzerhandbuch

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/eval-ada4510-2-ug-2133.pdf

• Engineer Zone, „Guarding techniques“

https://ez.analog.com/amplifiers/w/documents/25819/guarding-techniques

• Anwendungshinweis A-347, „Shielding and Guarding“

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/41727248AN_347.pdf

- Technischer Hinweis, „Layout For Precision Op Amps“

https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/layout-for-precision-op-amps.html