Warum wir neue Operationsverstärker brauchen, obwohl wir schon so viele gute haben

Es ist schwer zu bestimmen, wie viele verschiedene Operationsverstärker (OPVs, Op-Amps) von den Dutzenden von Herstellern angeboten werden, aber die Zahl geht in die Tausende. Dabei sind noch nicht einmal die Operationsverstärker mitgezählt, die Variationen eines Basismodells sind, aber leicht abweichende Spezifikationen, Temperaturklassen oder Gehäuse haben.

Diese grundlegenden, einfachen, aber vielseitigen analogen Bausteine bieten wichtige Funktionen für analoge Frontends (AFEs) zur Signalverarbeitung, für Filter und Sensorschnittstellen. Die Liste der benötigten Schaltkreisfunktionen war schon immer lang und wird aufgrund der Anforderungen von künstlicher Intelligenz (KI), intelligenten Steuerungen und zahllosen anderen Anwendungen, die eine Schnittstelle zwischen Systemen und der realen Welt erfordern, immer länger.

In Anbetracht der vielen bereits auf dem Markt befindlichen Operationsverstärker, die von der Mittelklasse mit guten Spezifikationen bis hin zu herausragenden Hochleistungs-Präzisionsgeräten reichen, ist man versucht anzunehmen, dass es kaum noch Bedarf für neue Geräte gibt. Die jüngsten Einführungen zeigen jedoch einmal mehr, wie naiv diese Annahme ist.

Neueste Innovationen bei Operationsverstärkern bieten extrem niedrige Drift

Ich habe im vergangenen Jahr Dutzende neuer Operationsverstärker von großen und mittleren Anbietern gesehen. Während einige sehr anwendungsspezifisch sind, wie z. B. Hochspannungsdesigns oder für galvanische Isolierung, sind die meisten ziemlich standardisiert, zeichnen sich aber durch einige Spezifikationen aus.

Diese drei kürzlich vorgestellten Operationsverstärker zeichnen sich durch eine extrem geringe Drift aus:

• Der MAX74810ARMZ-RL von Analog Devices ist ein chopper-stabilisierter, stromsparender Zweikanal-Operationsverstärker ohne Drift mit rauscharmen, massesensitiven Eingängen und Rail-to-Rail-Ausgängen, der für höchste Genauigkeit über Zeit, Temperatur und Spannungsbedingungen hinweg optimiert ist
• Der TSZ901IYLT von STMicroelectronics, ein nach AEC-Q100 zertifizierter Operationsverstärker (aus der TSZ-Reihe ultrapräziser Operationsverstärker des Unternehmens), der sich durch eine Drift von nahezu Null und einen extrem niedrigen Offset auszeichnet – beides entscheidende Eigenschaften für die Signalaufbereitung in Hochleistungssensoren
• Der TLV4888PWR von Texas Instruments, ein chopper-stabilisierter, driftfreier, vierkanaliger und multiplexerfreundlicher CMOS-Präzisionsoperationsverstärker für 36 Volt und 14 Megahertz (MHz)

Das parallele Dilemma von Anbieter und Entwickler

Sowohl die Anbieter als auch die Nutzer dieser allgegenwärtigen Bauteile haben gemischte Gefühle gegenüber älteren Operationsverstärkern. Die Anbieter wollen die älteren Teile mit ihren hohen Gewinnspannen und ihrer vorhersehbaren Fertigung und Prüfung weiter herstellen, während die Nutzer sie wegen ihrer bekannten Performance und ihrer Feinheiten wollen. Gleichzeitig wollen beide die potenziellen Vorteile neuerer Produkte nutzen, einschließlich sofortiger und längerfristiger Bindung (für die Anbieter) und höherer Performance (für die Nutzer).

Obwohl OPVs funktionell einfache Blöcke sind, haben sie viele wichtige und oft subtile Parameter. Die erforderlichen Tests und die anschließende Datenanalyse sind zwar in hohem Maße automatisiert, erfordern aber dennoch einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand für die Einleitung, Komplettierung und Dokumentation.

Zu den notwendigen, aber schwer zu prüfenden Spezifikationen gehört der Eingangsvorspannungsstrom (I_B) in Abhängigkeit von der Temperatur, wie beim MAX74810ARMZ-RL zu sehen ist (Abbildung 1).

Abbildung 1: Gezeigt ist ein Diagramm von IB über der Temperatur für den MAX74810ARMZ-RL; diese Diagramme sind für Entwickler, die ein Präzisions-AFE implementieren, von entscheidender Bedeutung. (Bildquelle: Analog Devices)

In den Datenblättern von Operationsverstärkern wird häufig die Verteilung der Eingangsoffsetspannung (V_IO) über Tausende von getesteten Geräten dargestellt. Diese Diagramme, wie das für den TSZ901IYLT (Abbildung 2), geben den Anwendern die Gewissheit, dass der Hersteller den Produktionsprozess unter Kontrolle hat.

Abbildung 2: Diagramme wie die VIO-Verteilung für den TSZ901IYLT geben Entwicklern die Gewissheit, dass der Produktionsprozess streng kontrolliert wird. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Die Anbieter müssen auch Maximalspezifikationen (oder Minimalspezifikationen) für einige Parameter angeben, da typische Werte für erste Schätzungen in Ordnung sind, aber bei einer vollständigen Analyse mit Spice oder anderen Tools nicht ausreichen. Operationsverstärkertabellen, wie die für den TLV4888PWR (Abbildung 3), geben sowohl typische als auch maximale Werte über den gesamten Temperaturbereich an, um eine gewissenhafte Designbewertung zu unterstützen. Diese werden häufig in Tabellenform zur Verfügung gestellt, einschließlich typischer Werte für Parameter wie Offsetspannung und Eingangsvorspannungsstrom.

Abbildung 3: Für eine gewissenhafte Designbewertung eines Bausteins wie dem TLV4888PWR sind typische und maximale Werte erforderlich; die Hersteller von Operationsverstärkern stellen diese gegebenenfalls in Tabellenform zur Verfügung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Was springt für den Anbieter dabei heraus?

Lohnt sich der ganze Entwicklungsaufwand und die Kosten für den Anbieter? Im Allgemeinen ja. Ein erfolgreiches analoges Produkt kann über viele Jahre hinweg eine lebensfähige, ertragreiche Einnahmequelle sein. Wenn ein Anbieter die richtige Kombination aus Funktionen, Merkmalen und Leistungsspezifikationen zusammenstellt und das Bauteil auf erfolgreiche Kundenprodukte abgestimmt ist, besteht eine gute Chance, dass der Operationsverstärker sowohl in der aktuellen Produktgeneration als auch in deren Nachfolgern eingesetzt wird. Das Ergebnis ist, dass das ältere, bisher bevorzugte Teil verdrängt wird.

Aber es ist nicht einfach, ein älteres Teil auszutauschen. Im Gegensatz zu Prozessoren wird ein guter Operationsverstärker oft wieder für Schaltungen ausgewählt, anstatt ihn zu ersetzen. Warum also zögern Entwickler, einen älteren, potenziell minderwertigen Operationsverstärker durch einen neueren zu ersetzen?

Der Grund dafür ist, dass analoge Komponenten anfälliger für Feinheiten und Eigenheiten im Design, Layout und sogar in der Herstellung sind als ihre digitalen Gegenstücke. Erfahrene Entwickler analoger Schaltungen ziehen es vor, nicht auf ein neues Bauteil und die damit verbundene Lernkurve umzusteigen, es sei denn, es gibt zwingende Gründe dafür, während digital orientierte Entwickler nicht über die analogen Aspekte nachdenken wollen. Sie denken eher: „Wenn es gut genug funktioniert, lassen wir es einfach sein und machen weiter“.

Für den Anbieter und den Entwickler ergeben sich weitere langfristige Vorteile:

• Die verfeinerten Herstellungs- und Prüfverfahren verringern die Bedenken hinsichtlich Produktion und Verfügbarkeit erheblich.
• Verbesserte Fertigungskenntnisse und höhere Erträge führen zu höheren Gewinnspannen für den Verkäufer.
• Das Bauteil steht auf der Liste des Entwicklers für zugelassene Lieferanten und Komponenten, die viele OEMs führen, so dass das Unternehmen nicht zögert, es in die Stückliste aufzunehmen.

Ein Beispiel für diese „Nicht-Ändern“-Mentalität ist der Instrumentenverstärker (eine spezielle Operationsverstärker-Topologie) INA133 von Burr-Brown. Dieser Baustein wurde um 1998 eingeführt und wird immer noch in einer Vielzahl von Gehäusen und Qualitäten angeboten, wie z. B. der INA133UA/2K5 von Texas Instruments (das Unternehmen, das Burr-Brown im Jahr 2000 übernommen hat).

Das Dilemma bei all diesen neuen Operationsverstärkern, die durch ältere ergänzt werden, ist natürlich die Frage, wie man den besten für die jeweilige Anwendung auswählt. Einige Entwickler beginnen mit einigen bevorzugten Anbietern, andere mit Vorschlägen von Kollegen. Hier ist ein Fall, bei dem KI helfen kann: Sie geben die absolut notwendigen Spezifikationen, die zusätzlich gewünschten aber nicht absolut notwendigen Spezifikationen und die Minimal-/Maximalwerte für andere Parameter ein und erhalten eine Rangliste geeigneter Operationsverstärker zurück.

Das wäre ein interessanter Ausgangspunkt, aber um die Feinheiten dieser Komponenten wirklich zu verstehen, sind Dokumentationen und persönliche Gespräche mit Ihrem Ansprechpartner beim Anbieter unschlagbar, wenn Sie Ihre Auswahl eingrenzen wollen.

Fazit

Die unaufhörliche Welle neuer Operationsverstärker, trotz der Tausenden von bereits verfügbaren sehr guten Versionen, zeigt, dass es immer einen Bedarf an besseren Bauteilen gibt. Diese Komponenten können in ihrer Gesamtleistung geringfügig oder in nur einem oder zwei kritischen Merkmalen stark verbessert werden. So oder so kann ein erfolgreicher neuer Operationsverstärker eine lange Lebensdauer haben, die dem Entwickler möglichst wenig Kopfzerbrechen bereitet, während er den Ertrag und die Gewinnspanne für den Hersteller maximiert.

Verwandte Inhalte

1: Ein Leitfaden zur Auswahl von Operationsverstärkern

https://www.digikey.de/de/blog/a-guide-to-op-amp-selection

2: Auswahl des richtigen Präzisionsoperationsverstärkers zur einfachen Entwicklung analoger Frontends

https://www.digikey.de/de/blog/choose-the-right-precision-op-amp

3: Effektive Auswahl und Verwendung von Präzisions-Operationsverstärkern

https://www.digikey.de/de/articles/how-to-choose-and-use-precision-op-amps-effectively

4: Wie man driftfreie Operationsverstärker verwendet, um eine präzise und energiesparende Steuerung industrieller Systeme zu erreichen

https://www.digikey.de/de/articles/how-to-use-zero-drift-op-amps-to-achieve-industrial-system-control

5: Verwendung driftloser Verstärker für DC-Präzision und große Bandbreite

https://www.digikey.de/de/articles/how-to-achieve-both-dc-precision-and-wide-bandwidth-using-zero-drift-amplifiers