Mir raucht der Kopf: Warum gibt es so viele Operationsverstärker?

Die Wahl des richtigen oder „besten“ Operationsverstärkers für ein Projekt kann entmutigend und überwältigend sein. Selbst wenn Sie Ihre Suche auf einen einzigen Anbieter beschränken, gibt es wahrscheinlich Dutzende von ziemlich ähnlichen Komponenten zu berücksichtigen, oft auch neu veröffentlichte. Die Auswahlhilfen der Anbieter können im Hinblick auf die groben Kategorien helfen (z. B. hohe Geschwindigkeit, Präzision, hohe Spannung), aber auch hier gibt es Überschneidungen und Unklarheiten.

Warum gibt es so viele Operationsverstärker? Der Zyniker würde vielleicht sagen: „Weil die Anbieter es können“. Aber das ist nun wahrlich nicht der Grund. Jede Variante und Untervariante eines Operationsverstärkers kann Kosten verursachen, weil sie Änderungen an mindestens einem Faktor erfordert: Design, Fertigung, Test, Zulassung, Produktionsplanung, Auftragsabwicklung, Verpackung und mehr.

Der Akademiker hingegen würde sagen, dass die Antwort auf die Frage auf der Hand liegt: „Der Grund ist, dass es den einen perfekten Operationsverstärker nicht gibt.“ Technisch gesehen stimmt das zwar, der eigentliche Grund ist es aber auch nicht. Vielmehr ist es so, dass der ideale Operationsverstärker – mit unendlicher Bandbreite, ohne Rauschen und sonstige „Unvollkommenheiten“ – gar nicht gewollt wird. Er wäre schlichtweg zu viel des Guten. Für den Einsatz in Ihrer Anwendung müssen Sie möglicherweise einen externen Filter hinzunehmen, um externes Rauschen zu dämpfen, das sich auf den Operationsverstärker auswirkt, statt sich auf die begrenzte Bandbreite der Komponente selbst zu verlassen.

Dass es so viele Operationsverstärker gibt, ist eigentlich die Folge zweier Faktoren: Zum Einen ist da die schiere Anwendungsvielfalt. Und zum Anderen ist da dieses ewige Problem der Kompromisse. Im Fall von Operationsverstärkern – wie bei vielen anderen Komponenten auch – sind diese Kompromisse keine einfachen Ja-Nein-Fragen. Vielmehr gibt es Feinheiten und Nuancen hinsichtlich Grad und Priorität.

Manche Anwendungen tolerieren weniger wünschenswerte Werte für einige Parameter zugunsten einer überragenden Leistung der ein oder zwei Parameter, auf die es in dieser Situation wirklich ankommt. So kann es beispielsweise sein, dass ein Schaltkreis für ein Präzisionsinstrument unbedingt eine geringe Offset-Drift über einen breiten Temperaturbereich braucht und zum Erreichen dieses Ziels eine geringe zusätzliche Verlustleistung in Kauf genommen wird. Es stellt sich stets dieselbe Frage: „Auf wie viel ist man an anderer Stelle bereit zu verzichten, um das primäre Ziel zu erreichen?“ Ist es akzeptabel, für 10 % mehr Offset-Drift-Leistung einen Zuwachs von 50 % bei sekundären Spezifikationen in Kauf zu nehmen?

Und dann ist da natürlich noch der Kostenfaktor: Fast alle Anwendungen sind kostensensibel. Die Frage ist, inwieweit die Kosten ein kritischer Faktor sind. Wenn sich für ein paar Cent mehr ein Gerät mit 10 % weniger Rauschen bauen lässt, lohnen sich die Mehrkosten dann? Die Antwort werden Sie in keinem Lehrbuch finden, so viel steht fest.

Schauen Sie sich diese beiden „Null-Offset“-Operationsverstärker an: den MCP6V51 von Microchip Technology und den OPA735 von Texas Instruments. Neben weiteren Unterschieden bietet die Komponente von Microchip einen anfänglichen maximalen Offset von ±15 Mikrovolt (µV) und eine maximale Offset-Drift von ±36 Nanovolt(nV)/°C (Abbildung 1). Das Bauteil von Texas Instruments hat mit ±5 µV nur ein Drittel des anfänglichen maximalen Offsets, dafür aber eine rund 50 % höhere maximale Offset-Drift von ±50 nV/°C (Abbildung 2). Welcher ist also besser?

Abbildung 1: Die Eingangs-Offset-Spannung bei gegebener Umgebungstemperatur ist bei Anwendungen mit Präzisions-Operationsverstärkern eine wichtige Spezifikation. Hier ist sie für den MCP6V51 von Microchip Technology angegeben. (Bildquelle: Microchip Technology)

Abbildung 2: Die Offset-Spannungsdrift wird anders als beim OPA735 dargestellt, beträgt aber klar ersichtlich nur wenige nV/°C. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Antwort ist wie so oft in der Technik verblüffend einfach: „Es kommt darauf an.“ In diesem Fall kommt es darauf an, wie kritisch der anfängliche Offset im Vergleich zu seinem Driftwert ist; u. U. ist er jedoch nur für eine bestimmte Anwendung gültig.

Bei der Entscheidung, worauf und auf wie viel Sie verzichten müssen, um das zu bekommen, was Sie wollen, sind viele Faktoren sorgfältig abzuwägen. Und das ist doch der Wesenskern der Ingenieurskunst. Oft ist es eine schwierige Entscheidung, weil bei der Überprüfung des Designs jeder möglicherweise eine andere legitime Sichtweise hat.

Es gibt unzählige unterschiedliche Anwendungsprioritäten, relative Gewichtungen und Entscheidungen der Art „worauf verzichtet man, um zu bekommen, was man will“. Die gute Nachricht ist, dass es die (meist) große Auswahl erleichtert, etwas Passendes zu finden. Dennoch kann die Vielzahl der Wahlmöglichkeiten überwältigend sein, und das führt zu zwei Möglichkeiten: Die Entwickler entscheiden sich für das erste Ihren Anforderungen nahe kommende Bauteil oder sie entscheiden sich einfach für einen zuvor verwendeten Anbieter und die Komponente, die sie bereits kennen.

Obwohl so viele Operationsverstärker verfügbar sind und ständig neue hinzukommen, landen viele Entwickler – zu Recht oder Unrecht – am Ende ironischerweise bei dem Gerät, mit dem sie am besten vertraut sind.

Über den Autor

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Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

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