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8-2022

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Verstärker

Verstärker Over-the-Top-Verstärker Überspannungen in Frontends vermeiden Hier zeigen wir Ihnen, wie mithilfe von Over-the-Top-Verstärkern (OTT Amps) analoge Frontends geschützt werden können. Q10 PNP D3 ESD R5 40kΩ J1 NJF R6 2MΩ Q9 PNP –IN +IN Q6 PNP +V S Q5 Q3 Q4 PNP PNP PNP R1 880Ω R2 880Ω PNP Q2 Q1 I1 7.75µA PNP Q7 NPN I2 4µA I3 4µA Q8 NPN SHDN I OUTPUT DRIVER P N SD U1 M1 PMOS M1 NMOS M2 M3 NMOS NMOS M4 NMOS D1 ESD D2 ESD R3 20kΩ R4 20kΩ D3 ESD V1 1V Q13 NPN V OUT D4 ESD –V S 25404-052 Bild 1: Einfache Darstellung der internen Struktur des ADA4098-1 Autor: Hakan Unlue Analog Devices, Inc. www.analog.com Bei Industrieanwendungen kommen höhere Spannungen zur Systemversorgung vor. Das kann eine große Herausforderung für analoge Frontends sein. Höhere Spannungen können die interne Eingangsdiode eines üblichen Verstärkers leitend machen. Je länger dieser Zustand andauert, desto wahrscheinlicher wird eine Fehlfunktion oder sogar ein Ausfall. Dagegen können Entwickler mit externen Schutzschaltungen entsprechende präventive Maßnahmen unternehmen; hierzu zählen externe Dioden oder Widerstände. Diese Komponenten brauchen aber Platz auf den Leiterplatte und haben Nachteile wie Leckströme, zusätzliche Kapazitanz und Rauschen. Aus diesem Grund hat Analog Devices als eine IC-interne Lösung die Over-the-Top-Technik entwickelt. Wie funktioniert Over-the-Top? Für eine einfache Erklärung kann man das Innenleben von IC der neusten Generation wie ADA4098-1 oder ADA4099-1 anschauen, s. Datasheet of ADA4098-1, www.analog. com/en/products/ada4098-1. html#product-overview. Die OTT OpAmps haben zwei Eingangsstufen. Die erste ist eine Common-Emitter-Differentialstufe, bestehend aus PNP- Transistoren, die bei Eingangssignalen zwischen negativer Versorgung (-VS) und bis ca. 1,25 V unterhalb der positiven Versorgung (+V S ) arbeiten. Die zweite Eingangsstufe ist eine Common-Base-Stufe, bestehend aus weiteren PNP-Transistoren, die bei Eingangssignalen arbeiten, deren Gleichtaktspannung bei +VS - 1,25 V oder höher liegt. Ein Beispiel der internen Schaltung kann man in Bild 1 sehen. Die erste Stufe ist mit die Transistoren Q1 und Q2 aufgebaut, während die zweite Stufe die Transistoren Q3 bis Q6 nutzt. Diese Eingangsstufen führen damit zu zwei unterschiedlichen aber komplementären Betriebsbereichen. Die Offset- Spannungen beider Eingangsstufen sind eng abgestimmt und in den Datenblättern angegeben. Wenn die Gleichtaktspannung der Eingänge nah an +VS heranreicht, wird die zweite Stufe aktiviert und damit findet der OpAmp sich im Over-the-Top- Betrieb. Das kann ein Fall von Überspannung in verschiedenen Anwendungen sein. Zum Beispiel bei High-Side-Strommessung mögen durch parasitische oder lastbedingte Effekte die Spannungen das Systemversorgungpotenzial überschreiten, wenn auch nur temporär. Übliche Verstärker haben die Signalspannungen bis zum Versorgungspannungsbereich erlaubt. Wenn die Eingänge deutlich diesen Bereich übersteigen, werden meist interne Dioden eingeschaltet und damit wird eine signifikante elektrische Leistung darüber fließen. Je nach der Signalspannung und -Strömen können solche Spitzen den Betrieb des Verstärkers unterbrechen, sogar im schlimmsten Fall den Aus- 22 hf-praxis 8/2022

Verstärker Die größte Auswahl an HF-Verstärkern ab Lager lieferbar von R3 1kΩ V BAT R4 909 R1 0.1Ω fall der integrierten Schaltung verursachen. Im Gegensatz zu solchen Problemen bei üblicher OpAmps können Verstärker mit OTT differentielle Eingangsspannungen bis zu 80 V tolerieren. In diesem Zustand wird der Ausgangpegel auf positive Versorgung (+VS) gesättigt. Der Ausgang behält seine Fähigkeit in diesem Zustand weiter bei, Strom innerhalb der Datenblattgrenzen aufzunehmen oder zu liefern. Wenn die Eingänge wieder in den normalen Betriebsbereich kommen (-VS bis +VS), wird der Ausgangpegel auch wieder in den üblichen linearen Bereich kommen, ohne Verschlechterung der Gleichstromgenauigkeit. Ähnliches gilt für Gleichtaktspannungen bis zu 70 V. Applikationsbeispiele und -hinweise für Verstärker mit OTTs R2 9.09kΩ *DIODE IMPROVES SINGLE SUPPLY AMPLIFIER ACCURACY AT LOW LOAD CURRENTS V BAT = 1.5V TO 70V 5V 0.1Ω 10W Bild 2. Strommessung, Beispiele mit dem ADA4098-1 Es wurde schon das Beispiel der Strommessung erwähnt. Ein paar solcher Beispiele bringt + SHDN – 100Ω LOAD 10mA TO 1A D1* V OUT 1N4148 ADA4098-1 5V ADA4098-1 SHDN 100Ω 25404-069 M1 BSS123LT1G 1kΩ V OUT 1V/A Bild 2. Der ADA4098-1 ist die Low-Power-Version, während der ADA4099-1 eine höhere Bandbreite und Spannungsanstiegsrate hat. 25404-001 Bei der Low-Side-Messung bestimmen R2 und R3 die Verstärkung und D1 erhöht die Genauigkeit bei der Unipolar-Versorgung und bei der kleinen Lastströmen. Bei der High-Side-Strommessung entscheiden die Widerstände 1 kOhm und 0,1 Ohm über den Verstärkungsgrad. Die Widerstände an den Eingängen des Verstärkers dienen u.a. der Filterung. Die möglichen Eingangs-Bias-Ströme verursachen einen Spannungsabfall durch diese Widerstände. Der Ausgang von ADA4098-1 kann ohne Last von Schiene zu Schiene innerhalb von 45 mV von beiden Versorgungen liegen. Der ADA4098-1 kann 24 mA liefern und 35 mA aufnehmen. Der Verstärker ist intern kompensiert und kann 200 pF Lastkapazität treiben. Das Hinzufügen eines Serienwiderstands von 50 Ohm zu größeren kapazitiven Lasten erweitert die Ansteuerfähigkeit des Verstärkers. Falls der Ausgang V out eine Schaltung mit kleinerem Potenzial treibt und diese Schutzdioden an der eigenen Spannungsschienen hat, wäre es sinnvoll, einen Widerstand an V out zu platzieren. Damit werden mögliche Ströme, die an nachfolgender Schaltung fließen, begrenzt. Der ADA4098-1 verfügt über einen dedizierten SHDN-Pin, um den Verstärker in einen sehr niedrigen Abschaltzustand zu versetzen, wenn dieser Pin als H eingestuft wird. Ein logisches H wird durch >1,5 V definiert in Bezug auf -V S angelegt wird. Der V out -Pin befindet sich dann in einem hochohmigen Zustand. Als alternative Methode kann der Verstärker durch Entfernen von positiver Versorgung effektiv in einen Zustand niedriger Leistung versetzt werden. In beider diesen Modi ist OTT noch aktiv und Spannungen bis 70 V über -V S können auf Eingang-Pins liegen. Neben Strom- oder Power-Messungen kann man OTT-Verstärker bei empfindlichen Frontends oder 4-zu-20-mA-Stromschleifen einsetzen. Für ausführliche Information, weitere Applikationsbeispiele und Berechnungen konsultiere man das Datenblatt. Fazit Dank der intelligenten und präzisen internen Schaltung bieten die Over-the- Top-Verstärker Robustheit und Genauigkeit gleichzeitig. Mit der fünften Generation von OTT-OpAmps wie ADA4098-1 und ADA4099-1 erreicht man noch höhere Spannungsfestigkeiten und niedrigere Offset-Errors oder Rauschwerte. ◄ Frequenzen DC bis 87 GHz Verstärkung von 10 bis 60 dB P1dB von 2 mW bis 100 Watt Rauschzahl ab 0,8 dB Breitbandverstärker Gain Blocks High Power Verstärker Rauscharme Verstärker Laborverstärker Ultra breitbandige Verstärker Leistungsverstärker Begrenzerverstärker High Rel Verstärker USB gesteuerte Verstärker Aktive HF-Produkte von Pasternack LNAs und Leistungsverstärker variable PIN-Diodenabschwächer USB-kontrollierte Abschwächer Frequenzteiler, -Vervielfacher PIN-Dioden-Limiter HF-Leistungs-Detektoren koaxiale Mikrowellenmischer kalibrierte Rauschquellen koaxiale 1- bis 12-fach Schalter abstimmbare SMD-Oszillatoren USB-kontrollierte Synthesizer MRC GIGACOMP GmbH & Co. KG info@mrc-gigacomp.de www.mrc-gigacomp.de Tel. +49 89 4161599-40, Fax -45 hf-praxis 8/2022 23 23

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