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Single Supply Operationsverstärker mit Push-Pull Ausgangsstufe und dynamischer Querstromunterdrückung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000017019D
Original Publication Date: 1999-Jul-01
Included in the Prior Art Database: 2003-Jul-22
Document File: 3 page(s) / 24K

Publishing Venue

Siemens

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Andreas Schimpl: AUTHOR

Abstract

Mit Hilfe von Leistungsendstufen mit können Operationsverstärker durch eine Rückkopplung des Ausgangs am invertierten Eingang als schnelle Spannungsfolger eingesetzt werden. So kann eine am hochohmigen Eingang liegende Spannung, ohne die bestimmende Spannungsquelle merklich zu belasten, um ein Vielfaches (Faktor 10 4 und mehr) leistungsverstärkt werden. Aufgrund der hohen Verstärkungen ergibt sich jedoch auch eine erhöhte Schwingungsbereitschaft, die noch wesentlich höher ist, wenn man den Operationsverstärker in direkter Rückkopplung z.B. als Folger betreibt. Gerade in der Fahrzeugelektronik besteht aber im Rahmen eines 12V oder 24V Bordnetzes der Bedarf nach einer Single Supply Anwendung mit voller Aussteuerbarkeit bis hin zum negativen Potential. Da derartige Folgerschaltungen jedoch nur nachgeschaltete Bauelemente zu versorgen haben, die maximal eine Spannung von 5V erfordern, kann auf eine Aussteuerbarkeit hinsichtlich der vollen Bordnetzspannung verzichtet werden. Aufgrund des begrenzten Energievorrats bei tragbaren, batteriegespeisten Anwendungen, sollte jedoch der Energieverbrauch einer derartigen Schaltung, der im wesentlichen durch den Querstrom der Ausgangsstufe determiniert wird, auf ein Minimum begrenzt werden.

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Bauelemente

Single Supply Operationsverstärker mit Push-Pull Ausgangsstufe unddynamischer Querstromunterdrückung

Idee: Andreas Schimpl, Villach (Österreich)

Mit Hilfe von Leistungsendstufen mit können Operationsverstärker durch eineRückkopplung des Ausgangs am invertierten Eingang als schnelle Spannungsfolgereingesetzt werden. So kann eine am hochohmigen Eingang liegende Spannung, ohne diebestimmende Spannungsquelle merklich zu belasten, um ein Vielfaches (Faktor 10 4� undmehr) leistungsverstärkt werden. Aufgrund der hohen Verstärkungen ergibt sich jedochauch eine erhöhte Schwingungsbereitschaft, die noch wesentlich höher ist, wenn man denOperationsverstärker in direkter Rückkopplung z.B. als Folger betreibt.

Gerade in der Fahrzeugelektronik besteht aber im Rahmen eines 12V oder 24V Bordnetzesder Bedarf nach einer Single Supply Anwendung mit voller Aussteuerbarkeit bis hin zumnegativen Potential. Da derartige Folgerschaltungen jedoch nur nachgeschalteteBauelemente zu versorgen haben, die maximal eine Spannung von 5V erfordern, kann aufeine Aussteuerbarkeit hinsichtlich der vollen Bordnetzspannung verzichtet werden.Aufgrund des begrenzten Energievorrats bei tragbaren, batteriegespeisten Anwendungen,sollte jedoch der Energieverbrauch einer derartigen Schaltung, der im wesentlichen durchden Querstrom der Ausgangsstufe determiniert wird, auf ein Minimum begrenzt werden.

In den bekannten Anwendungen werden Operationsverstärker mit Gegentaktendstufen nachdem AB-Prinzip eingesetzt, was den Nachteil eines relativ großen Ruhequerstroms (ca.200µA) nach sich zieht, der für eine ausreichende Stabilität der rückgekoppelten Schaltungbenötigt wird. Zudem wird lediglich ein Aussteuerbereich erreicht, der nur bis ca. eineDiodenflußspannung (0,7V) an das obere bzw. untere Potential der Versorgungsspannungheranreicht.

Mit Hilfe der in der Figur dargestellten Schaltungsanordnung kann der Querstrom auf 1µAgesenkt werden. Um das zu erreichen, verwendet man einen bereits bekanntenGrundstromspiegel und einen Eingangskomparator in neuartiger Kombination mit einerLeistungsendstufe. Die Querstromquelle Q 1� speist einen Strom I 1� in die MOS-SpiegeldiodeM 1 . M 2� spiegelt diesen Strom im entsprechenden Verhältnis auf die positiveVersorgungsseite in M 3 . M 3� stellt die Spiegeldiode für die nötige High-Side-Stromquellen(M 4 , M 5 , M 6 , M 7 , M 8 ) dar. Diese Stromspiegel sind aufgrund ihrer geringen Fläche alsvergleichbare Bipolartransistoren in MOS ausgeführt.

Sowohl der invertierende, als auch der nicht invertierende Eingang (IN, IP) desKomparators werden mit Pegelschiebe...