Elektronik 1 - Von Split- zu Single Supply-Schaltungen W. Baumberger Einführende Bemerkungen

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1 Elektronik 1 - Von Split- zu Single Supply-Schaltungen W. Baumberger Einführende Bemerkungen In dieser Beilage wird die Erzeugung von Single Supply-Schaltungen Schritt für Schritt erklärt. Als Grundlagen dienen die bekannten Schaltungen für bipolare Speisung (Split Supply) 2. Invertierender AC-Verstärker Ausgehend von der bekannten Split-Supply-Schaltung für den invertierenden Verstärker (s. Fig. 1 resp. Fig. 2) erhält man durch blosses Umplatzieren der Referenz (Massesymbol) das Schema von Fig. 3. Gleichzeitig wurden die Speisespannungen von je 15 V auf je 2.5 V reduziert. Fig. 1 Schema des konventionellen invertierenden Verstärkers mit Split-Speisung Fig. 2 Wie Fig. 1, jedoch Masse durchgezogen Split-zu-SingleSupply Seite 1 W. Baumberger

2 Fig. 3 Wie Fig. 2, jedoch Masse an der negativen Speisung und Spannungen reduziert Bei Fig. 3 ist nun also die negative Speisespannung das Referenzpotential. Entsprechend wurden die Abblockkondensatoren (C s ohne Bezeichnung) an dieses Referenzpotential angeschlossen, was keine Rolle spielt, da Kondensatoren ja keinen Gleichstrom führen können. Die Schaltung der Fig. 3 ist also immer noch identisch zu jener der Fig. 1; insbesondere sind Eingangs- und Ausgangsspannung nach wie vor auf den Mittelpunkt der beiden Speisespannungen (jetzt +2.5 V gegenüber Masse) referenziert, was sehr unüblich ist. Um dies zu ändern, muss der Eingangs- wie der Ausgangsspannung ein Offset (Versatz) von 2.5 V gegeben werden. Es resultiert das Schema der Fig. 4. Fig. 4 Modifizierte Split Supply-Schaltung mit Signalreferenz am negativsten Potential Fig. 4 ist nun schon fast eine Single Supply-Schaltung, allerdings mit dem Schönheitsfehler, dass das Eingangssignal einen DC-Offset benötigt, damit die Schaltung richtig funktioniert. Geht man davon aus, dass nur Wechselspannungen verstärkt werden sollen, ist dieser eingangs- wie ausgangsseitige DC-Offset im Prinzip irrelevant, er wird nur für die korrekte Funktion der Schaltung benötigt. Deshalb drängt es sich auf, Signalquelle und Last durch Trennkondensatoren (DC-Blocks) vom DC-Offset zu trennen. Natürlich muss der Wert dieser Trennkondensatoren genügend gross sein, damit die tiefste Signalfrequenz (bei Audio z. B. 20 Hz) noch ohne Verlust übertragen werden kann. Man erhält die Schaltung gemäss Fig. 5. Split-zu-SingleSupply Seite 2 W. Baumberger

3 Fig. 5 Fast schon eine Single Supply-Schaltung (für AC-Signale) Der Mittelpunkt zwischen den beiden Versorgungsspannungen (+2.5 V) wird nun bloss noch gebraucht, um den nichtinvertierenden Eingangs des OP auf die halbe anliegende Versorgungsspannung vorzuspannen. Dies lässt sich leicht auch durch einen resistiven Spannungsteiler bewerkstelligen, womit man zur Schaltung von Fig. 6 gelangt. Dies ist nun eine echte Single-Supply-Schaltung. Fig. 6 Single Supply-Schaltung des invertierenden Verstärkers für AC-Signale Diese Schaltung könnte genau so eingesetzt werden, beispielsweise um ein schwaches Audiosignal von einer Mikrofonkapsel so weit zu verstärken, dass es von einem AD-Wandler mit Aussteuerbereich V digitalisiert werden könnte. Da praktisch kein Strom in die OP-Eingänge fliesst (somit auch keiner in den nichtinvertierenden Eingang), reicht es aus, wenn die beiden gleichen Widerstände RH1 und RH2 sehr hochohmig sind. Der Abblockkondensator am nichtinvertierenden Eingang unterdrückt lediglich kapazitiv eingekoppelte Störungen, für die grundlegende Funktion ist er nicht notwendig (jedoch sehr empfohlen). Bemerkenswert an dieser Schaltung ist, dass sie mit einem normalen OP arbeitet, da die Common Mode-Spannung an den Eingängen nach wie vor der halben Speisespannung entspricht. Allerdings muss der OP mit der geringen Speisespannung von total nur 5 V auskommen. Ferner ist der Ausgangsspannungsbereich bei Verwendung eines normalen OP Split-zu-SingleSupply Seite 3 W. Baumberger

4 limitiert, er erreicht weder 0 V bei den negativen Signalspitzen, noch +5 V bei den positiven Spitzen. 3. Nichtinvertierender AC-Verstärker Beim nichtinvertierenden Verstärker kann man zunächst gleich vorgehen. Basis ist wiederum die bekannte Split Supply-Schaltung (Fig. 7). Fig. 7 Split Supply-Schaltung des nichtinvertierenden Verstärkers Umplatzieren der Masse, DC-Offset am Eingangssignal und Reduktion der Speisespannungen auf je 2.5 V ergibt die Schaltung von Fig. 8. Fig. 8 Split Supply-Schaltung mit Signalreferenz am negativsten Potential Führt man analog zu Fig. 6 AC-Kopplung ein und erzeugt die Hilfsspannung wiederum mit einem resistiven Spannungsteiler, resultiert die Schaltung von Fig. 9. Split-zu-SingleSupply Seite 4 W. Baumberger

5 Fig. 9 Nichtinvertierender Verstärker für AC-Signale, analog zu Fig. 6 (nicht funktionierend) Die Schaltung von Fig. 9 hat jedoch zwei gravierende Probleme: Am Einspeisepunkt für die Hilfsspannung, R2, fliesst Strom (nämlich derselbe wie durch R1), und zwar abhängig von der Aussteuerung; RH1 und RH2 dürfen nun also nicht mehr beliebig hochohmig sein. Eine Faustregel sagt, dass der Querstrom durch den Hilfsspannungsteiler mindestens zehnmal so gross sein sollte, wie der maximal durch R2 fliessende Strom. Alternativ kann man den Abblockkondensator an UH so gross machen, dass sein Blindwiderstand bei der tiefsten Signalfrequenz sehr viel kleiner ist als R2. Der zwar sehr kleine, aber nicht vernachlässigbare Eingangsstrom in den nichtinvertierenden Eingang des OP kann nirgends ab- oder zufliessen, die Gleichspannung an diesem Eingang ist undefiniert. Der zweite Punkt verlangt nach einer zwingenden Schaltungsänderung, die in Fig. 10 realisiert ist. Der neu eingeführte R3 erlaubt das Fliessen des OP-Bias-Stromes und definiert die Gleichspannung am nichtinvertierenden Eingang (nämlich auf UH). R3 kann hochohmig sein, da der durch ihn fliessende Strom sehr klein sein wird. Fig. 10 Nichtinvertierender Single Supply-Verstärker für AC-Signale Split-zu-SingleSupply Seite 5 W. Baumberger

6 Der nichtinvertierende Single Supply-AC-Verstärker ist etwas komplizierter als sein invertierendes Gegenstück. Störend ist der Querstrom durch den Hilfsspannungsteiler. Von Vorteil ist jedoch seine sehr hohe Eingangsimpedanz (durch R3 gegeben). Auch für diese Schaltung reicht ein konventioneller OP aus. Möchte man den evtl. hohen Querstrom durch den Hilfsspannungsteiler vermeiden, bietet sich eine aktive Erzeugung von UH an. Dies ist in Fig. 11 skizziert. RH1 und RH2 dürfen nun wieder hochohmig sein, der benötigte Strom liefert IC2, wenn benötigt. Diese Technik lohnt sich vor allem dann, wenn mehrere Stufen mit einer (gleichen) Hilfsspannung versorgt werden müssen. R4 ist ein sehr niederohmiger Widerstand (z. B. 100 ), der verhindert, dass IC1 direkt eine kapazitive Last sieht (den Abblockkondensator an UH nämlich; einige OP s sind bei kapazitiver Last nicht mehr stabil). Fig. 11 Aktive Erzeugung von UH durch Spannungsfolger (Schaltung rechts wie Fig. 10) 4. DC-Verstärker Zuweilen reicht es nicht aus, nur den AC-Teil eines Signals zu verstärken, d.h. die Abtrennung des DC-Anteils ist nicht in jedem Fall erlaubt. In diesem Fall ist ein DC-Verstärker notwendig. Die Schaltung der Fig. 10 arbeitet grundsätzlich auch mit UH=0, es resultiert ein besonders einfaches Schema, s. Fig. 12. Im Prinzip entspricht sie der konventionellen Split Supply- Schaltung mit der negativen Speisung auf 0 V (vgl. Fig. 7). Split-zu-SingleSupply Seite 6 W. Baumberger

7 Fig. 12 Nichtinvertierender DC-Verstärker Das Bezugspotential entspricht auch DC-mässig der negativsten in der Schaltung vorkommenden Spannung. Dadurch kann dieser Verstärker nur positive Spannungen verstärken. Sollen auch Spannungen wenig über 0 V korrekt verstärkt werden können, ist nun ein sog. Single Supply-OP notwendig. Ein Single Supply-OP ist definitionsgemäss ein OP, dessen Eingangsgleichtaktbereich (input common mode voltage range) garantiert bis zu dessen negativer Speisespannung reicht und dessen Ausgangsspannungsbereich (output voltage range) ebenfalls bis zur negativen Speisespannung geht (jedenfalls ohne Laststrom). Ein gleich aufgebauter invertierender DC-Verstärker (s. Fig. 13) würde allerdings nicht funktionieren, da jede positive Eingangsspannung wegen der Inversion zu einer negativen Ausgangsspannung führen müsste, was wegen der fehlenden negativen Speisespannung nicht möglich ist. Mit einer negativen Eingangsspannung würde die Schaltung von Fig. 13 dagegen arbeiten, allerdings ist auch für diese ein Single Supply-OP nötig. Fig. 13 Invertierender DC-Verstärker (nicht funktionierend) Durch Anlegen einer Offset-Spannung am nichtinvertierenden Eingang ist es jedoch möglich, einen beliebigen positiven Eingangsspannungsbereich auf den Bereich 0.. +UCC abzubilden, unter Beibehaltung der invertierenden Wirkung, also z. B V auf V. Split-zu-SingleSupply Seite 7 W. Baumberger

8 Dies ist im Schema der Fig. 14 skizziert. Die Offset-Spannung Uo am nichtinvertierenden Eingang wird durch den Spannungsteiler RH1, RH2, deren Werte nun in der Regel verschieden sein werden, erzeugt. Der Querstrom durch diesen Spannungsteiler kann klein sein, da praktisch kein Strom in den nichtinvertierenden Eingangs fliesst. Der Abblockkondensator ist für die grundlegende Funktion nicht notwendig, aber dringend empfohlen. Fig. 14 Invertierender DC-Verstärker mit Offset Bemerkung 1: Die rechnerische Analyse dieser Schaltung wird durch die Anwendung des Quellenüberlagerungsprinzips wesentlich erleichtert: Die (negative) Verstärkung, definiert durch R1 und R2, und der Offset, definiert durch RH1 und RH2, können separat berechnet werden, wobei für Uo als Eingangsspannung und UEIN=0 IC1 als nichtinvertierender Verstärker arbeitet, dessen Verstärkung R2/R1+1 beträgt. Bemerkung 2: Soll, wie im obigen Zahlenbeispiel, bei 5 V Speisespannung ein Ausgangsspannungsbereich von V erreicht werden, reicht ein Single Supply-OP nicht aus, es wird ein sog. RRO-OP benötigt (rail-to-rail output), dessen Ausgangsspannungsbereich die negative und die positive Speisespannung erreichen kann. Bemerkung 3: Ein OP, der nicht nur ausgangs-, sondern auch eingangsseitig Spannungen von der negativen bis zur positiven Speisespannung korrekt verarbeiten kann, nennt man RRIO (rail-to-rail input and output). Dies ist die modernste Gruppe von OP s, RRIO-OP s sind vom Spannungsbereich her am universellsten einsetzbar. Split-zu-SingleSupply Seite 8 W. Baumberger