Halbleitertechnologie von A bis Z

Der Operationsverstärker (OpAmp) ist der zentrale Baustein der analogen Schaltungstechnik. Er verstärkt die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen – dem invertierenden (–) und dem nicht-invertierenden (+) Eingang – um einen sehr hohen Faktor, die Leerlaufverstärkung A₀.

Der ideale OpAmp besitzt vier Eigenschaften, die als Näherung für die Handrechnung von Schaltungen dienen:

• unendliche Leerlaufverstärkung (A₀ → ∞)
• unendlicher Eingangswiderstand (kein Eingangsstrom)
• Ausgangswiderstand null (ideale Spannungsquelle am Ausgang)
• unendliche Bandbreite

In einer gegengekoppelten Schaltung (z. B. Verstärker mit Widerstandsnetzwerk) folgt aus der hohen Leerlaufverstärkung die virtuelle Masse: Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen wird durch die Rückkopplung auf nahezu null geregelt, obwohl kein direkter leitender Kontakt zwischen ihnen besteht. Dieses Prinzip ist die Grundlage für die Analyse nahezu aller OpAmp-Grundschaltungen (Invertierer, Nicht-Invertierer, Integrator, Differenzverstärker).

Reale OpAmps weichen von diesem Idealbild ab: endliche Verstärkung, endliche Bandbreite, Eingangsströme (Bias-Ströme durch die Transistor-Eingangsstufe) und ein Ausgangswiderstand ungleich null. Diese nicht-idealen Effekte werden in den folgenden Absätzen quantifiziert.

Die Eingangsstufe eines OpAmps ist praktisch immer ein Differenzverstärker (Differential Pair): zwei Transistoren, deren Sources (bei MOS) bzw. Emitter (bei Bipolar) an einer gemeinsamen Stromquelle liegen. Die Differenz der beiden Eingangsspannungen steuert, wie sich der gemeinsame Bias-Strom auf die beiden Zweige aufteilt.

Als aktive Last dient in modernen CMOS-Designs meist ein Stromspiegel (Current Mirror): Ein Referenztransistor gibt einen Strom vor, der über das Verhältnis der Transistor-Weiten (W/L) auf einen oder mehrere weitere Zweige gespiegelt wird. In der OpAmp-Eingangsstufe wandelt der Stromspiegel das differenzielle Stromsignal in ein einzelnes (single-ended) Spannungssignal um – dieser Schritt bestimmt maßgeblich die erste Verstärkungsstufe.

Wichtige Kenngrößen dieser Stufe sind die Transkonduktanz g_m der Eingangstransistoren (bestimmt Verstärkung und Rauschverhalten) sowie der Gleichtaktaussteuerbereich (Common-Mode Input Range) – der Bereich, in dem beide Eingangsspannungen liegen dürfen, ohne dass ein Transistor der Stromquelle oder des Differenzpaares aus der Sättigung fällt.

Für integrierte OpAmps (meist als OTA, Operational Transconductance Amplifier, ohne niederohmigen Ausgangspuffer ausgeführt) haben sich mehrere Standard-Topologien etabliert, die unterschiedliche Kompromisse zwischen Verstärkung, Bandbreite, Ausgangshub und Flächenbedarf bieten.

Zweistufiger Miller-OTA: Eine Differenzverstärkerstufe (hohe Verstärkung) gefolgt von einer zweiten Verstärkerstufe (großer Ausgangshub), verbunden über einen Miller-Kompensationskondensator. Diese Topologie erreicht sehr hohe Verstärkung und großen Ausgangs-Spannungshub, ist aber durch die zweite Stufe schwieriger zu kompensieren.

Telescopic-Cascode: Kaskodierung der Differenzpaar-Transistoren und der Stromspiegel-Last in einer einzigen Stufe erhöht den Ausgangswiderstand und damit die Verstärkung erheblich (typisch 60–80 dB), ohne eine zweite Stufe zu benötigen. Nachteil: Durch die gestapelten Transistoren ist der nutzbare Ausgangshub stark eingeschränkt – ungeeignet für Schaltungen mit niedriger Versorgungsspannung.

Folded-Cascode: Löst das Hub-Problem des Telescopic-Cascode, indem der Signalpfad nach der Eingangsstufe auf einen komplementären Kaskodenzweig "gefaltet" wird. Dies erlaubt einen größeren Ausgangshub bei nur geringfügig höherem Stromverbrauch und ist die in der Praxis am häufigsten eingesetzte einstufige Topologie.

Reale OpAmps werden anhand mehrerer Kenngrößen aus dem Datenblatt bzw. für den Schaltungsentwurf charakterisiert:

• Open-Loop-Gain (A₀): Verstärkung ohne Gegenkopplung, typisch 60–120 dB. Bestimmt die Genauigkeit der gegengekoppelten Schaltung (Restfehler ≈ 1/A₀).
• Gain-Bandwidth-Product (GBW): Produkt aus Verstärkung und Bandbreite an einem Arbeitspunkt; bei einpoligem Verhalten näherungsweise konstant über den Frequenzbereich. Bestimmt die maximale nutzbare Signalbandbreite bei gegebener Verstärkung.
• Slew Rate (SR): Maximale Änderungsrate der Ausgangsspannung (V/µs), begrenzt durch den maximal verfügbaren Lade-/Entladestrom des Kompensationskondensators. Bei großen Signalsprüngen limitiert die Slew Rate – nicht die Bandbreite – die tatsächliche Anstiegszeit.
• PSRR (Power Supply Rejection Ratio) und CMRR (Common Mode Rejection Ratio): Maß dafür, wie gut Störungen auf der Versorgungsspannung bzw. Gleichtaktsignale am Eingang unterdrückt werden.
• Offset-Spannung: Durch Bauteil-Mismatch (Threshold-Spannung, W/L-Verhältnisse) verursachte systematische Eingangsspannungsdifferenz, die auch bei idealer Gegenkopplung eine Ausgangsabweichung erzeugt.

Mehrstufige OpAmps besitzen mehrere Pole im Frequenzgang. Ohne Gegenmaßnahme führt dies bei Rückkopplung zu Instabilität (Oszillation), da die Phasenverschiebung bei der Frequenz, an der die Schleifenverstärkung auf 0 dB abfällt, 180° erreichen oder überschreiten kann.

Die Phasenreserve (Phase Margin) – der Abstand der Phase zu –180° bei der 0-dB-Durchtrittsfrequenz – ist das zentrale Stabilitätskriterium. Ein Phase Margin von mindestens 45–60° gilt als praktikabel für ein gutes Einschwingverhalten ohne übermäßiges Überschwingen.

Die häufigste Methode ist die Miller-Kompensation: Ein Kondensator zwischen Ausgang und Zwischenknoten der zweiten Stufe nutzt den Miller-Effekt, um den dominanten Pol zu niedrigeren Frequenzen zu verschieben (Pol-Splitting) und so die anderen Pole außerhalb der relevanten Bandbreite zu halten. Ein in Reihe geschalteter Nullwiderstand (Nulling Resistor) kompensiert dabei die durch den Kompensationskondensator eingeführte rechtshalbebene Nullstelle, die andernfalls die Phasenreserve verschlechtert.

OpAmps bilden die Basis zahlreicher analoger Grundschaltungen, die in nahezu jedem Mixed-Signal-System vorkommen:

• Spannungsfolger (Puffer): Verstärkung 1, extrem hoher Eingangs- und niedriger Ausgangswiderstand – zur Impedanzwandlung zwischen Schaltungsstufen.
• Integrator: Widerstand am Eingang, Kondensator in der Rückkopplung – erzeugt eine zur Zeit integrierte Ausgangsspannung; zentraler Baustein von Filtern, Sigma-Delta-Modulatoren und PLL-Loop-Filtern.
• Instrumentenverstärker: Kombination mehrerer OpAmps zur präzisen, rauscharmen Verstärkung kleiner Differenzsignale mit hoher Gleichtaktunterdrückung – typisch in der Sensorsignalaufbereitung.

Diese Grundschaltungen verbinden das Kapitel Operationsverstärker mit den nachfolgenden Kapiteln zu ADC/DAC-Architekturen und PLL, in denen OTAs als Integratoren, Verstärkerstufen und Ladungspumpen wiederverwendet werden.