Entwurf einer Operationsverstärkerschaltung für Mikrovoltsignale mit dem Zero-Drift-Operationsverstärker ET85502

In einem Präzisionssensor-Frontend ist das Operationsverstärkerschaltung entscheidet oft darüber, wie viel Fehler die endgültige Messung erreicht. Wenn das Signal nur wenige Mikrovolt beträgt, können Offset, Drift und Bias-Strom des Operationsverstärkers leicht das Signal selbst übersteigen.

ETEKs ET8550X ist eine driftfreie Operationsverstärkerfamilie, die ohne externe Kondensatoren einen typischen Offset von 1 µV und eine Drift von 0,005 µV/°C liefert. In diesem Artikel erfahren Sie:

• Welche Operationsverstärkerparameter dominieren den Fehler in Präzisionsschaltungen?
• Die verifizierten Spezifikationen des ET8550X
• Vier praktische Schaltungsideen für die Sensorik und Instrumentierung
• Layout-Tipps, die die Genauigkeit im Mikrovolt-Bereich schützen

Was ist ein Zero-Drift-Operationsverstärker?

Ein Zero-Drift-Operationsverstärker nutzt eine interne Autokorrektur wie Auto-Zeroing oder Chopper-Stabilisierung, um die Eingangs-Offsetspannung und deren Temperaturdrift extrem niedrig zu halten. Dadurch kann eine Operationsverstärkerschaltung Mikrovoltsignale ohne Trimmen oder häufige Temperaturkalibrierung verstärken.

Was begrenzt die Genauigkeit einer Operationsverstärkerschaltung?

Vier Parameter dominieren üblicherweise das Fehlerbudget:

• Eingangsoffsetspannung (VOS): erscheint am Ausgang multipliziert mit der Regelverstärkung.
• Offsetdrift: ändert VOS mit der Temperatur, daher kann es durch eine Raumtemperaturkalibrierung nicht entfernt werden.
• Eingangsruhestrom (IB): fließt durch Quell- und Rückkopplungswiderstände und erzeugt bei hochohmigen Sensoren einen zusätzlichen Spannungsfehler.
• CMRR und PSRR: Legen Sie fest, wie viel Gleichtaktrauschen und Versorgungswelligkeit in den Ausgang eindringen.

Beispielsweise werden in einem Brückenverstärker mit einer Verstärkung von 1.000 alle 10 µV Offset zu 10 mV am Ausgang. Aus diesem Grund verlassen sich Präzisionsdesigns traditionell auf teure Auto-Zero- oder Chopper-Verstärker.

Wichtige Spezifikationen des ET8550X

Der ET8550X ist eine Ein-, Zwei- und Vierkanal-Präzisions-Operationsverstärkerfamilie mit Rail-to-Rail-Eingang und -Ausgang. Alle folgenden Werte sind typische Spezifikationen aus dem ET8550X-Datenblatt (Rev 1.1):

Verstärkungsbandbreitenprodukt (GBP) und Anstiegsgeschwindigkeit variieren geringfügig mit der Versorgungsspannung: Bei VS = 5 V beträgt der typische GBP 1,5 MHz mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 0,4 V/µs, während bei VS = 2,7 V der typische GBP 1 MHz mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von 0,5 V/µs beträgt.

Warum der ET8550X für Präzisionsschaltungen geeignet ist

Drift nahe Null von -40 °C bis +125 °C

Mit einer Drift von 0,005 µV/°C ändert sich der Offset über den gesamten Betriebsbereich um deutlich unter 1 µV. In vielen Designs entfällt dadurch die Notwendigkeit des Offset-Trimmens und der Temperaturkalibrierung.

20 pA Eingangsruhestrom

Ein niedriger Vorstrom hält die Fehler selbst bei hochwertigen Widerständen oder hochohmigen Quellen wie Brückensensoren und Fotodioden gering.

Rail-to-Rail Ein- und Ausgang

Der Gleichtaktbereich umfasst beide Schienen und der Ausgang wechselt von Schiene zu Schiene. Dies vereinfacht die High-Side- und Low-Side-Stromerfassung und maximiert den Dynamikbereich bei 3,3-V- oder 5-V-Versorgungen.

Keine externen Kondensatoren

Im Gegensatz zu einigen chopperstabilisierten Verstärkern benötigt der ET8550X keine externen Kondensatoren. Das spart Platinenplatz und Stücklistenkosten.

Vier Ideen für Operationsverstärkerschaltungen mit dem ET8550X

1. Dehnungsmessstreifen und Drucksensorverstärker

Eine Wheatstone-Brücke gibt ein kleines Differenzsignal aus. Das ET8550X-Datenblatt listet auf Dehnungsmessstreifenverstärker Zu den Zielanwendungen gehört der Zweikanal-, 130-dB-CMRR- und 1-µV-Offset, der dazu beiträgt, die Genauigkeit bei hoher Verstärkung aufrechtzuerhalten. In der Praxis platzieren Designer die beiden Verstärker häufig in einem klassischen Instrumentierungs-Frontend, sodass die Differenz auf Mikrovoltebene der Brücke den ADC mit minimalem Offset und Gleichtaktfehler erreicht.

2. Low-Side-Präzisionsstrommessung

Bei einem kleinen Shunt-Widerstand kann die Messspannung nur wenige Millivolt betragen. Der Rail-to-Rail-Eingang ermöglicht die Erfassung direkt am Boden, während ein geringer Offset den Fehler bei kleinen Strömen gering hält.

3. Thermoelement- und RTD-Frontends

Thermoelemente erzeugen nur einige zehn Mikrovolt pro Grad. Ein Null-Drift-Verstärker verhindert, dass seine eigene Drift als Temperaturänderung gelesen wird.

4. Tragbare medizinische Instrumente

Batteriebetriebene medizinische Geräte benötigen Präzision bei niedriger Spannung. Die Mindestversorgung von 2,7 V und 770 µA pro Kanal erfüllen diese Anforderungen.

PCB-Layout-Tipps für Präzisions-Operationsverstärkerschaltungen

1. Platzieren Sie externe Komponenten so nah wie möglich am Gerät, um parasitäre Fehler zu reduzieren.
2. Verlegen Sie Eingangsspuren entfernt von Versorgungsleitungen und digitalen Signalen.
3. Entkoppeln Sie die Versorgungspins in der Nähe des Geräts mit Keramikkondensatoren mit niedrigem ESR.
4. Halten Sie die thermische Umgebung um beide Eingänge symmetrisch, um parasitäre Thermoelementeffekte an Lötstellen zu vermeiden.

Benötigen Sie einen einzelnen Kanal in einem winzigen Paket? Siehe die ET85501 Produktseite. Informationen zur Niederspannungs-IoT-Signalumwandlung finden Sie in unserem Artikel über Niederspannungs-Operationsverstärker.

Häufig gestellte Fragen

Was macht eine Operationsverstärkerschaltung „Präzision“ aus?

Eine Präzisions-Operationsverstärkerschaltung hält den Gesamtfehler – hauptsächlich Offset-, Drift- und Vorstromfehler – unter der Auflösung, die das System benötigt. Beim ET8550X beträgt der typische Offset 1 µV und die Drift 0,005 µV/°C, sodass der Operationsverstärker selbst bei hoher Verstärkung nur sehr wenig Fehler verursacht.

Kann der ET8550X mit einer 3,3-V-Versorgung betrieben werden?

Ja. Der ET8550X wird mit einer einzelnen 2,7-V- bis 5,0-V-Versorgung betrieben, sodass 3,3-V-Systeme vollständig unterstützt werden. Bei niedrigeren Versorgungsspannungen sinkt das Verstärkungsbandbreitenprodukt von 1,5 MHz auf etwa 1 MHz, was für die meisten Sensor- und Messanwendungen immer noch ausreichend ist.

Benötigt der ET8550X externe Kondensatoren?

Nein. Der ET8550X liefert eine driftfreie Leistung ohne externe Kondensatoren. Dies unterscheidet sich von einigen Chopper-stabilisierten Verstärkern, die externe Komponenten erfordern, sodass Entwickler Platz auf der Platine sparen, Stücklistenkosten reduzieren und das Layout kompakter Sensormodule vereinfachen.

Ist der ET8550X für Umgebungen mit hohen Temperaturen geeignet?

Ja. Der ET8550X ist für einen Betriebstemperaturbereich von spezifiziert -40°C bis +125°CDadurch eignet es sich für anspruchsvolle industrielle Umgebungen und Umgebungen mit erweiterter Temperaturmessung.

Fazit: Mikrovolt-genaue Frontends bauen

Für jede Operationsverstärkerschaltung, bei der es auf jedes Mikrovolt ankommt, kombiniert der ET8550X driftfreie Präzision, Rail-to-Rail-Flexibilität und einen Betriebsbereich von -40 °C bis +125 °C ohne externe Kondensatoren.

👉 Besuchen Sie die ET85502M/U Produktseite um detaillierte Spezifikationen zu erkunden und das Datenblatt herunterzuladen

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