OPV-Innenschaltung

OPV-Innenschaltung

Als Einleitung werden hier die wichtigsten Kenngrößen eines OPV's erläutert und typische Daten für diese Kenngrößen angegeben. Die zur Erklärung verwendeten Größen sind im folgenden Bild dargestellt:

In der Regel werden an den realen OPV Forderungen gestellt, die einem idealen OPV sehr nahe kommen. Allerdings lassen sich nicht alle Forderungen gleichzeitig erfüllen. Deshalb sind je nach Anwendungsfall Kompromisse erforderlich, d.h. es muß für jeden Anwendungsfall einen optimierten Operationsverstärkertyp geben. Für dieses Referat wäre es zu aufwendig jeweils optimierte Lösungen zu erläutern, daher wird hier zunächst nur allgemein erläutert, wie ein OPV aufgebaut ist. Später wird auf einen speziellen Operationsverstärkertyp genauer eingegangen, nämlich auf den µA 741, der unter die Kategorie Standard-OPV einzureihen ist.

Eine einfache Schaltung eines simplen OPV's könnte zum Beispiel folgendermaßen aussehen:

Das passende Blockschaltbild ist im nächsten Bild gezeichnet. Es entspricht dem allgemeinen Blockschaltbild eines OPV's.

Eingangsstufe

Als Eingangsstufe wird bei "normalen" OPV's ein Differenzverstärker verwendet. Diese Stufe ist für die Offsetspannung ( Offsetstrom, Biasstrom) verantwortlich, die bei den meisten Operationsverstärkertypen durch ein extern zuschaltbares Potentiometer ausgeglichen werden kann. Auch ist der Differenzverstärker natürlich für den Eingangswiderstand des OPV's verantwortlich. Dadurch, daß der Differenzverstärker nur die Spannungsdifferenz am Eingang verstärkt, ist dieser auch für die Gleichtaktunterdrückung zuständig. Im allgemeinen werden folgende Forderungen an die Eingangsstufe gestellt:

Fehlersignale wie Offsetspannung, Offsetstrom, Biasstrom und Rauschen sollen möglichst klein sein

Qualitätsmerkmale wie Gleichtaktunterdrückung, Eingangswiderstand, Verstärkung und Spannungsfestigkeit sollen groß sein

Natürlich können auch hier nicht alle Eigenschaften ideal erreicht werden und daher werden je nach Anwendungsfall einige Eigenschaften optimiert. Allerdings muß sehr wohl berücksichtigt werden, daß die Eingangsstufe des OPV's die kritischste und somit wichtigste ist, da eventuelle schlechte Eigenschaften und damit Verzerrungen des Eingangssignals in den nächsten Stufen verstärkt werden.

Eine genaue Betrachtung des Differenzverstärkers ist im gleichnamigen Referat zu finden, hier wird nur die Grundfunktion erläutert. Dazu betrachten wir zunächst die Schaltung eines Differenzverstärkers:

Ein Differenzverstärker ist ein symmetrischer Gleichspannungsverstärker mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen. Kennzeichnend ist die Stromquelle in der gemeinsamen Emitterleitung der beiden Transistoren. Sie bewirkt, daß die Summe der Emitterströme konstant gleich I ist. Ist U_e1=U_e2=0, so teilt sich der Strom (bei gleichen Transistoren) gleichmäßig auf die beiden Transistoren T1 und T2 auf. Es gilt also I_E1=I_E2=I/2. Unter Vernachlässigung der Basisströme folgt daraus I_C1=I_C2 I/2. An diesem Umstand ändert sich auch nichts, wenn beide Eingangsspannungen um denselben Wert verändert werden (Gleichtaktansteuerung). Da bei dieser Betriebsart die Kollektorströme konstant bleiben, bleiben auch die Ausgangsspannungen konstant, d.h. die Gleichtaktverstärkung ist Null. Andert man die beiden Eingangsspannungen jedoch unterschiedlich, z.B. U_e1>U_e2, dann ändert sich die Stromteilung im Differenzverstärker: I_C1 nimmt zu, I_C2 nimmt ab. Die Summe bliebt jedoch konstant gleich I. Daraus folgt: DI_C1=-DI_C2. Eine Eingangsspannungsdifferenz ruft also eine Ausgangsspannungsänderung hervor. Eine temperaturbedingte Anderung der Basis-Emitterspannung wirkt wie eine Gleichtaktansteuerung, wenn die beiden Transistoren thermisch gekoppelt sind. Sie bleibt daher wirkungslos.

Zwischenstufen

Aufgabe der Zwischenstufen ist es das Signal für die Endstufe vorzubereiten. Die wesentlichste Aufgabe ist es, eine hohe Spannungsverstärkung zu erzielen. Um die gewünschte hohe Spannungsverstärkung zu erzielen, benötigt man jedoch mehrere Verstärkerstufen. Wenn diese Stufen untereinander nicht entkoppelt sind, so findet eine Verschiebung des Ruhepotentials statt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, muß an mindestens einer Stelle des Verstärkers eine Potentialverschiebung nach Minus vorgenommen werden. Im allgemeinen sind die Zwischenstufen normale Emitterverstärker oder wie beim 741 ein Emitterverstärker in Darlingtonschaltung.

Endstufe

Die Endstufe ist ein Leistungsverstärker und dient dazu, eine große maximalen Ausgangsleistung und einen niedrigen Ausgangswiderstand zu erzielen. Sie ist meistens als Komplementär-AB-Endstufe aufgebaut und enthält meistens eine Strombegrenzung.

Zur Erklärung einer solchen Endstufe wird hier schrittweise vorangegangen.

Emitterfolger (A-Betrieb)

Die Betriebsart richtet sich nach dem Arbeitspunkt. Beim A-Betrieb liegt der Arbeitspunkt so, daß sowohl positive als auch negative Ansteuerungen verstärkt werden. Beim B-Betrieb liegt der Arbeitspunkt bei I_C=0 bzw. U_BE=0, daß bedeutet es können nur positive Ansteuerungen verstärkt werden. Der AB-Betrieb stellt ein Mittel dar, hier wird ein kleiner Ruhestrom eingeprägt.

Die Wirkungsweise eines Emitterfolgers ist kurz beschrieben folgende: Sobald man eine Eingangsspannung größer als 0,6V anlegt, beginnt der Transistor zu leiten. Der Emitterstrom ruft an R_E einen Spannungsabfall hervor, der immer gleich der Eingangsspannung minus U_BE ist. Die Spannnungsverstärkung ist daher etwa 1. Aus diesem Grund wird die Schaltung auch als Emitterfolger bezeichnet, da das Emitterpotential dem Basispotential folgt.

Komplementärer Emitterfolger im Gegentakt-B-Betrieb

Wie bereits oben erwähnt, verstärkt ein Transistor im B-Betrieb nur eine Halbwelle. In diesem Fall übernimmt T1 die Verstärkung positiver Halbwellen, T2 die Verstärkung negativer Halbwellen. Daher spricht man von einem Gegentaktbetrieb. Die Transistoren sind also abwechselnd je eine halbe Periode leitend. Für U_e=0 sperren beide Transistoren, dadurch nimmt die Schaltung keinen Ruhestrom auf. Dies wirkt sich allerdings auch auf die Ausgangsspannung aus, da bei Wechselaussteuerung in Nullpunktnähe Verzerrungen auftreten, weil z.B. ein Transistor schon sperrt, der zweite jedoch noch nicht leitet. Der aus der positiven bzw. negativen Betriebsspannungsquelle entnommene Strom entspricht dem Ausgangsstrom. Diese Schaltung besitzt daher einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als der normale Emitterfolger.

Komplementärer Emitterfolger im Gegentakt-AB-Betrieb

Bei dieser Betriebsart wird ein kleiner Ruhestrom eingeprägt. Dies wird durch die zwei Dioden erreicht, welche aufgrund ihrer Flußspannung die Transistoren auch bei keiner Aussteuerung leiten lassen. Dadurch leiten beide Transistoren im Nullpunkt leicht und die Nullpunktverzerrungen werden auf ein Minimum beschränkt.

Anmerkung: Bei der Überlegung dieser Schaltung muß berücksichtigt werden, daß durch die Dioden immer ein Strom fließt. Das bedeutet, daß z.B. bei positiver Ansteuerung kein Strom direkt von der Quelle in T1 fließt, sondern daß I_B1 vor der Diode abgezweigt und anschließend von der Quelle wieder zugeführt wird.

Im folgenden Bild sind die Übernahmeverzerrungen der beiden unterschiedlichen Betriebsarten dargestellt:

Komplementärer Emitterfolger im Gegentakt-AB-Betrieb mit Stromlimitierung

Um den OPV vor einer Zerstörung bei ausgangsseitigem Kurzschluß zu bewahren, wird häufig eine Ausgangsstromlimitierung in der Endstufe vorgesehen. Diese darf das verstärkte Signal bei normaler Betriebsart jedoch nicht beeinflussen. Die hier gezeigte Möglichkeit funktioniert folgendermaßen: Überschreitet der Spannungsabfall an einem der Emitterwiderstände 0,6V, so wird T3 oder T4 leitend und entzieht somit dem Endstufentransistor den Basisstrom.

Prinzipschaltbild

Schaltungserklärung:

Die Transistoren T1 und T2 bilden den Differenzverstärker am Eingang. T3 und T4 bilden einen Stromspiegel, wobei der Kollektorstrom des Transistors T4 immer gleich groß ist, wie der von T3, nämlich I_E1. Dadurch wird am Knotenpunkt über dem Transistor T4 die Differenz I_E2-I_E1 gebildet, die dem Ausgangsstrom der Eingangsstufe entspricht. Durch den Stromspiegel und die damit verbundene Differenzbildung der Kollektorströme wird bewirkt, daß gleichphasige Anderungen der Kollektorströme unterdrückt, die Gleichtaktunterdrückung also verbessert wird. Gegenphasige Anderungen hingegen addieren sich und verdoppeln daher den Ausgangsstrom der Eingangsstufe. Ein Stromspiegel ist daher die geeignetste Schaltung zum Übergang von der symmetrischen Eingangsschaltung zum unsymmetrischen Ausgang eines OPV's.

Die Emitteranschlüsse der Transistoren T3 und T4 sind herausgeführt, um einen Nullabgleich über ein externes Potentiometer zu ermöglichen.

Der Darlington-Transistor T5 bildet die zweite Verstärkerstufe. Als Kollektorwiderstand wird eine Stromquelle verwendet. Der Kondensator C_K dient zur Frequenzgangkorrektur, wobei er mit dem Ausgangswiderstand der Eingangsstufe einen Tiefpaß bildet. Normalerweise würde es genügen, wenn der Kondensator dann mit Masse verbunden wäre, jedoch ist die dafür erforderliche Kapazität im integrierten Baustein nicht zu realisieren. Daher verbindet man den Kondensator mit dem Kollektor der Darlington-Stufe, wodurch sich die Kapazität scheinbar um einen Faktor in der Größenordnung um 100 vergrößert.

Die Transistoren T6 und T7 bilden die Ausgangsstufe. Sie arbeiten als Komplementär-AB-Endstufe mit kleinem Ruhestrom.

tatsächliche Schaltung des µA741

Schaltungserklärung

Differenzverstärker

Als Eingang wird hier ein Differenzverstärker verwendet, wobei T1 und T2 als Emitterfolger, T3 und T4 als unmittelbar anschließende Basisschaltung arbeiten. Die Spannungsverstärkung dieser Schaltung liegt bei etwa 50-60dB. Die genauen Stromberechnungen finden sich unter 3.2.1.8.2: Funktion der Stromspiegel in der Innenschaltung des µA741

Phasenaddierung

Die Transistoren T6 und T7 arbeiten als Stromspiegel. Dieser Schaltungsteil ist für die Umsetzung des symmetrischen Differenzverstärkers zu den weiteren unsymmetrischen Stufen verantwortlich. Die Schaltung verhält sich so, daß I_C7 immer gleich I_C6 ist, wobei I_C6 ziemlich genau gleich I_C3 ist. Dadurch wird am Knotenpunkt über dem Transistor T4 die Differenz

I_C4-I_C3 gebildet, die dem Ausgangsstrom der Phasenaddierungsschaltung entspricht. Durch diese Differenzbildung der Kollektorströme wird bewirkt, daß gleichphasige Anderungen der Kollektorströme unterdrückt, die Gleichtaktunterdrückung also verbessert wird. Gegenphasige Anderungen hingegen addieren sich und verdoppeln daher den Ausgangsstrom, der direkt als Basisstrom für den Darlingtonverstärker verwendet wird.

Der Transistor T8 ist dafür zuständig, daß nur ein Bruchteil des Basisstroms von T6 von I_E3 abgezogen wird, sodaß die Differenzbildung nicht verfälscht wird. Genaugenommen wird der Strom I_C3-(I_B6/B₈) gespiegelt und zur Differenzbildung herangezogen. I_B6/B₈ ist allerdings vernachlässigbar klein gegenüber I_B6. Die Funktion von R3 ist nicht ersichtlich.

Die Emitteranschlüsse von T6 und T7 sind beim µA741 herausgeführt, sie dienen zum Nullabgleich. Der Abgleich erfolgt über ein externes Potentiometer, wobei damit die Potentiale an den Emittern von T6 und T7 so eingestellt werden, daß eine Offsetkompensation stattfindet, man wirkt also Unsymmetrien entgegen. Dieser Abgleich kann jedoch durch Temperaturänderung, Betriebsspannungsänderung oder Gleichtaktspannung gestört werden.

Darlingtonverstärker

Der Darlingtonverstärker stellt die Zwischenstufe dar, die Transistoren T15 und T16 sind in Darlingtonschaltung betrieben. Die Aufgabe dieser Zwischenstufe liegt hauptsächlich darin, eine hohe Spannungsverstärkung zu leisten. Sie liegt in etwa bei 50dB.

Frequenzgangkorrektur

Der Kondensator C1 ist für die interne Frequenzkompensation des µA741 verantwortlich. Normalerweise würde man den Kondensator vom Ausgang der Eingangsstufe auf Masse verbinden, um mit dem Ausgangswiderstand der Eingangsstufe einen Tiefpaß zu bilden. Da dies jedoch eine zu hohe Kapazität erfordern würde, nützt man den sogenannten Miller-Effekt und verbindet die Basis des Darlingtonverstärkers mit dem Kollektor. In diesem Fall ist dann nur noch eine wesentlich kleinere Kapazität nötig, um den gleichen Effekt wie mit einer hohen Kapazität an Masse zu erzielen. Genauer wird der Miller-Effekt im Referat Phasenkompensation von Operationsverstärkern beschrieben.

Referenzspannung

Diese Schaltung arbeitet als variable Diode und dient zur Ruhestromeinstellung für die Endstufe, sodaß diese im AB-Betrieb arbeitet. Die Schaltung funktioniert folgendermaßen:

Wenn der Basisstrom gegenüber dem Querstrom des Spannungsteilers vernachlässigbar klein ist, so gilt:

Durch Verändern der Widerstände läßt sich also die Spannung U einstellen. Sie ist zwischen U_BE=0,7V und einigen Volt einstellbar.

Komplementär-Emitterfolger

Der Komplementär-Emitterfolger am Ausgang des OPV's stellt die Endstufe dar. Sie arbeitet im Gegentakt-AB-Betrieb, wobei der Ruhestrom durch die vorher besprochene Referenzspannung (variable Diode) eingestellt wird.

Stromabschaltung

Die beiden Schaltungen dienen zur Kurzschlußstrombegrenzung der Endstufe und funktionieren folgendermaßen:

Stromabschaltung 1

Wenn der Strom durch den Widerstand R9 einen bestimmten Wert übersteigt, so wird T12 leitend und entzieht somit dem Endstufentransistor T13 den Basisstrom. T12 führt jetzt nur noch den Basisstrom von T13, welcher klein ist und denn Transistor T12 daher auch nicht zerstört.

Stromabschaltung 2

Steigt der Strom durch R10 stark an, so steigt der Emitterstrom und damit verbunden auch der Basisstrom von T17 an. Dies hat jedoch auch zur Folge, daß durch T16 und R11 ein größerer Strom fließt. Übersteigt dieser Strom nun einen bestimmten Wert, dann wird T14 durch den Spannungsabfall an R11 leitend und begrenzt den Strom, der über die Darlingtonschaltung verstärkt zur Endstufe gelangt.

Stromspiegel

Bevor auf die Funktion dieser Schaltungen im µA741 eingegangen wird, wird zuerst die prinzipielle Funktion der Stromspiegelschaltung allgemein erläutert.

Allgemein

Durch die Diode fließt ein durch R_ref festgelegter Strom I. Da die Diodenkennlinie in etwa der Steuerkennlinie des Transistors entspricht, fließt unter Vernachlässigung des Basisstroms der gleiche Strom I durch R_L. Schaltet man zwischen Versorgung und Emitter einen Widerstand, so teilt sich U_D in U_BE und den Spannungsabfall am Widerstand auf und der Strom durch R_L wird natürlich um ein Vielfaches kleiner als I. Diese Erklärung gilt analog für einen Stromspiegel mit einem npn-Transistor, der mit dem Emitter an Masse hängt.

Funktion der Stromspiegel in der Innenschaltung des µA741

Der Transistor T10 des Stromspiegels 2 versorgt den Darlingtonverstärker mit Gleichstrom. Dies ist allerdings der gespiegelte Strom des Referenzstromes durch D2, R5 und D3, ist daher durch den Referenzwiderstand R5 festgelegt bzw. eingestellt. Dieser Referenzstrom wird nun auch durch den Stromspiegel 3 gespiegelt, allerdings wegen R4 um ein Vielfaches verkleinert. Dieser Bruchteil des Referenzstromes wird nun durch den Stromspiegel 1 erneut gespiegelt und stellt den Versorgungsstrom für den Differenzverstärker dar. Es zeigt sich somit, daß sämtliche Versorgungsströme fix eingestellt und zueinander proportional sind, sie sind alle nur durch den Referenzwiderstand R5 bestimmt. Nun stellt die Versorgung des Differenzverstärkers keine richtige Stromquelle dar, sondern nur in Verbindung mit der Schaltung des Differenzverstärkers. Dies soll durch folgende Berechnung der Eingangsschaltung gezeigt werden:

Die Diode D1 kann wie folgend gezeigt durch einen Transistor ersetzt werden. Dadurch präzisiert und erleichtert sich die Berechnung. Ausgegangen wird bei der Berechnung davon, daß der Strom I₁ durch eine Stromquelle (im Gesamtschaltbild durch Stromspiegel 3 dargestellt) fixiert und damit konstant ist. Der gemeinsame Basisstrom der Transistoren T3 und T4 wird als I_B bezeichnet. Ausgehend von diesen Strömen erfolgt die Berechnung, wobei diese zum besseren Verständnis in zwei Teilberechnungen unterteilt wird. Ziel ist es den Versorgungsstrom des Differenzverstärkers, nämlich I₂, zu berechnen.

Berechnungsblock 1:

Hier wird vom Kollektorstrom von T5, nämlich von I₁-I_B, auf I₂ zurückgerechnet

Berechnungsblock 2:

Hier wird von I_B auf I₂ zurückgerechnet. Wie ersichtlich, kommt man auf folgendes Ergebnis:

I₂=I₁-I_B=I_B*B₃₄, wobei B₃₄ die Stromverstärkung von T3 bzw. T4 darstellt.

Referenzwiderstand

Die Funktion des Referenzwiderstandes wurde bereits bei den Stromspiegeln behandelt. Einzig und allein dieser Widerstand legt den Ruhestrom des OPV's fest.

Allgemeines

Die BIFET-Technologie baut auf der Verwendung von Bipolartransistoren und Feldeffekttransistoren in der Innenschaltung des OPV's auf. Dadurch können die Vorteile der unterschiedlichen Transistoren miteinander verbunden und die jeweiligen Nachteile beschränkt werden. Vor allem werden FET's beim Eingangsdifferenzverstärker verwendet, da diese einen höheren Eingangswiderstand und damit niedrigere Eingangsströme zur Folge haben. Außerdem werden auch am Ausgang FET's verwendet. Die genauen Funktionen sollen jedoch anhand der Innenschaltung des Standard-BIFET-OPV's TL 080 erläutert werden.

Schaltung eines BIFET-OPV's (TL 080)

Schaltungserklärung

Differenzverstärker

Hier wird der Differenzverstärker mit J-FET's realisiert. Dies hat den enormen Vorteil eines höheren Eingangswiderstandes und außerdem weisen FET's ein niedrigeres Rauschen auf.

Phasenaddierung

Dieser Schaltungsteil ist genau gleich wie beim µA741, deshalb wird er hier nur kurz beschrieben. Es handelt sich um einen Stromspiegel, wobei der Ausgangsstrom zum Zwischenverstärker der Differenz I_D2-I_D1 entspricht. Durch diese Differenzbildung der Drainströme wird bewirkt, daß gleichphasige Anderungen der Drainströme unterdrückt, die Gleichtaktunterdrückung also verbessert wird. Gegenphasige Anderungen hingegen addieren sich und verdoppeln daher den Ausgangsstrom, der direkt als Basisstrom für den Zwischenverstärker verwendet wird.

Der Transistor T4 ist hier wieder dafür zuständig, daß nur ein Bruchteil des Basisstroms von T6 von I_D1 abgezogen wird, sodaß die Differenzbildung nicht verfälscht wird. Es wird also genaugenommen der Strom I_D1-(I_B6/B₄) gespiegelt und zur Differenzbildung herangezogen, wobei I_B6/B₄ zu vernachlässigen ist. Die Funktion von R8 ist nicht ersichtlich.

Die Emitteranschlüsse von T6 und T7 sind auch hier zum Nullabgleich herausgeführt.

Zwischenverstärker

Der Zwischenverstärker stellt die Treiberstufe für die Endstufe dar. Die Aufgabe dieser Zwischenstufe liegt hauptsächlich darin, eine hohe Spannungsverstärkung zu leisten.

Frequenzgangkorrektur

Der Kondensator C1 ist hier wieder für die interne Frequenzkompensation verantwortlich. Auch hier nützt man den sogenannten Miller-Effekt, um eine kleine Kapazität verwenden zu können.

Referenzspannung

Diese Schaltung arbeitet als variable Diode und dient zur Ruhestromeinstellung für die Endstufe, sodaß diese im AB-Betrieb arbeitet:

Die Referenzspannung (=U_CE von T11) setzt sich aus den beiden U_BE der Transistoren zusammen. Daher ergibt sich am Ausgang eine Spannung von 2U_BE, wobei durch R5 das U_BE von T11 leicht variiert werden kann und somit auch die Referenzspannung fein eingestellt werden kann.

Endstufe

Die Endstufe ist auch hier ein Komplementär-Emitterfolger. Sie arbeitet im Gegentakt-AB-Betrieb, wobei der Ruhestrom durch die vorher besprochene Referenzspannung (variable Diode) eingestellt wird. Der Widerstand R3 dient zum Kurzschlußschutz.

Schutz

Die Diode D1 sorgt dafür, daß der Transistor T8 nicht in Sättigung geht.

Stromquelle

Diese Stromquelle legt den Ruhestrom der Schaltung fest, den alle Versorgungsströme für die einzelnen Stufen sind Spiegelströme dieses Stromes. Die Funktion sieht folgendermaßen aus:

Die Zenerdiode hat eine Zenerspannung von 5,2V. Das bedeutet, daß U_GS des FET's T16 bei -5,2V liegt und damit ein fixer Drainstrom fließt, der durch die Steuerkennlinie bestimmt ist. Dadurch fließt ein konstanter Strom durch D2. Die Spannung an R6 und die Basis-Emitterspannung am Transistor setzen sich nun aus der Zenerspannung von D2 zusammen. Durch diese fixe Vorgabe stellt sich auch ein konstanter Kollektorstrom ein, der unabhängig von R_L ist.

Stromspiegel

Der Transistor T9 spiegelt den durch die vorher besprochene Stromquelle erzeugten Referenzstrom und versorgt damit den Zwischenverstärker. T1 spiegelt ebenfalls den Referenzstrom und versorgt damit den Differenzverstärker, allerdings ist dieser Versorgungsstrom bedingt durch den Widerstand R1 nur ein Bruchteil vom Referenzstrom.

Paul R. Gray: ANALOG INTEGRATED CIRCUITS

Texas Instruments: THE BIFET DESIGN MANUAL

Manfred Seifart: ANALOGE SCHALTUNGEN