Analogtipp OpAmps: So messen Sie die Eingangskapazität
Von Thomas Marke *
Die Eingangskapazität von Operationsverstärkern (OpAmps) ist nicht immer im Datenblatt zu finden. Die Messung ist, wenn die Eingangskapazität nur wenige Pikofarad beträgt. Mithilfe eines Messaufbaus aus Netzwerkanalysator und Power Splitter lässt sich das Problem einfach lösen.
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(Bild: Elektronikpraxis)
Operationsverstärker werden in unterschiedlichen elektronischen Schaltungen eingesetzt. Anwendungen wie Rauchmelder, Fotodioden-Transimpedanz-Verstärker, medizinische Instrumente oder industrielle Steuerungssysteme erfordern möglichst eine geringe Eingangskapazität des Operationsverstärkers, da sie ua den Rauschanteil, was sich insbesondere bei hohen Taktraten und hoher Verstärkung auf die Stabilität des Systems auswirkt.
Um möglichst eine hohe Genauigkeit aus einer Schaltung herauszuholen, müssen Sie die Eingangskapazität des Operationsverstärkers kennen. Sie ist jedoch nicht immer im Datenblatt zu finden, weshalb sie oft ermittelt werden müssen. Dies gestaltet sich teilweise, da in vielen Fällen die Eingangskapazität nur einige Pikofarad beträgt.
(Bild: ADI)
Exemplarisch zeigt Tabelle 1 einige unterschiedliche Operationsverstärker und deren jeweilige Eingangskapazität.
Operationsverstärker: Die Eingangskapazität bestimmen
(Bild: ADI)
Eine einfache Methode, die Eingangskapazität eines Operationsverstärkers zu bestimmen, besteht darin, einen Widerstand in einer Reihe zum Operationsverstärkereingang (RReihe) einzufügen, wie in Bild 1 zu sehen ist. Dadurch ergibt sich ein Tiefpass erster Ordnung, dessen Frequenzgang mittels Netzwerkanalysator aufgenommen werden kann. Anhand des Frequenzgangs kann die Eingangskapazität berechnet werden. Der Widerstandswert RReihe liegt im Bereich von mehreren 10 bis 100 kΩ.
Wenn Sie den Frequenzgang aufnehmen, sind ein paar Dinge zu beachten, damit die Messgenauigkeit nicht durch Streukapazitäten und Streuinduktivitäten auf der Leiterplatte bzw. beim Messaufbau wird beeinträchtigt.
Um die Streukapazitäten zu minimieren, wählen Sie eine hohe Messauflösung. Hierzu ist es ratsam FET-Tastköpfe mit geringerer Kapazität (
Ferner gilt es, möglichst kurze Leitungen und (Widerstands-) Drähte zu verwenden, um weitere Fehlerquellen, wie Serien- und parasitäre Induktivitäten zu vermeiden.
OpAmps: Messaufbau mit Netzwerkanalysator und Power Splitter
(Bild: ADI)
Ein möglicher Messaufbau ist in Bild 2 zu sehen. Hierbei wird ein Netzwerkanalysator und zusätzlich ein Leistungsteiler (engl. Power Splitter) verwendet. Der Power Splitter hat die Aufgabe, das Signal aufzusplitten. Zum einen WIRD das Signal 1:1 an den Eingang des Netzwerkanalysators gelegt, zum anderen über den eingefügten Tiefpass an den Eingang des Operationsverstärkers. Der Netzwerkanalysator generiert nun aus der Differenz dieser beiden Signale den Frequenzgang.
Für die Messung selbst bestimmen Sie zunächst die Streukapazität CStreu. Dazu legen Sie das Signal an, ohne dass sich ein Operationsverstärker auf der Leiterplatte befindet. Aus dem resultierenden Bode-Diagramm wird CStreu gemäß Gleichung 1 berechnet:
CStreu = 1 / [2π RTH1 f1 (–3 dB)] (Gl. 1)
F1 (–3dB) ist dabei die mit dem Netzwerkanalysator gemessene –3dB-Grenzfrequenz ohne vorhandenen Operationsverstärker und RTH1 ist eine Funktion des eingefügten Serienwiderstands (RReihe), des Eingangsabschlusswiderstands (50 Ω) und der 50-Ω-Quellenimpedanz am Leistungsteiler (Thévenin-Äquivalent, Gleichung 2).
RTH1 = RReihe + (50||50) (Gl. 2)
Als nächstes platzieren Sie den Operationsverstärker auf der Leiterplatte. Da die Streukapazität der Platine parallel zur Eingangskapazität des Operationsverstärkers liegt, wird Gleichung 1 um CIN ergänzt (Gleichung 3).
CIN +CStreu = 1 / [2π RTH2 f2 (–3 dB)] (Gl. 3)
F2 (–3dB) ist of this Mal die mit dem Netzwerkanalysator gemessene –3dB-Grenzfrequenz mit vorhandenem Operationsverstärker und RTH2 eine Funktion des eingefügten Serienwiderstands, des Eingangsabschlusswiderstands (50 Ω), der Ausgangsimpedanz des Leistungsteilers (50 Ω) und der Gleichtakt-Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers RCM (Gleichung 4).
RTH2 = [RSerie + (50||50)] || RCM (Gl. 4)
Bei Operationsverstärkern mit CMOS-Eingang gilt allgemein RSERIE CM. Dadurch ergibt sich für RTH2 ≈ RTH1. Damit kann RTH2 in Gleichung 3 durch RTH1 ersetzt werden.
CIN +CStreu = 1 / [2π RTH1 f2 (–3 dB)] (Gl. 5)
Mit den Gleichungen 1 und 5 lässt sich nun die Eingangskapazität des Operationsverstärkers ermitteln.
Operationsverstärker: Eingangskapazität messen und berechnen
Die Messung der Eingangskapazität eines Operationsverstärkers gestaltet sich oft schwierig, da sich deren Werte im Picofarad-Bereich bewegen und parasitäre Effekte im Messaufbau das Ergebnis verfälschen.
Mit Hilfe eines kleinen Messaufbaus und entsprechendem Messequipment, bestehend aus Netzwerkanalysator und Power Splitter, can SIE die Eingangskapazität jedoch einfach bestimmen, indem Sie über den Frequenzgang zunächst die Streukapazität (Fehlerkondensatoren des Messaufbaus) und anschließend die kombinierte Kapazität (Fehlerkondensatoren und Eingangskapazität) der Operationsverstärkerschaltung ermitteln .
Mit den Gleichungen 1 und 5 können Sie die tatsächliche Eingangskapazität des Operationsverstärkers berechnen.
* Thomas Brand arbeitet als Field Application Engineer bei Analog Devices in München.
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Quelle: www.elektronikpraxis.vogel.de
