Differenzverstärker mit beliebig vielen Eingängen

Überall dort, wo Spannungssignale verstärkt werden sollen, kommen Operationsverstärker (OP) zum Einsatz. Ein OP dient zum Vergleichen, Umformen und Verstärken von Signalen. Somit gehören sie zu den wichtigsten Komponenten in der analogen Schaltungs- und Messtechnik.

Stand der Technik

Gängige OPs sind dreistufig und mit zwei Signaleingängen und einem Ausgang ausgestattet. In der Eingangsstufe wird die Differenzspannung zwischen den Eingängen mittels Differenzverstärker (DV) gebildet, in der Spannungsverstärkerstufe verstärkt und in der Endstufe gepuffert, um ein niederimpedantes Ausgangssignal zu liefern. Schaltungen mit mehr als zwei unabhängigen Eingängen sind bisher nur durch die Verschaltung mehrerer OPs möglich – wodurch sich Kennwerte verschlechtern und Bauteilkosten steigen.

Technologie

Wissenschaftler des Elektrotechnischen Instituts (ETI) ersetzen den klassischen DV durch einen DV mit beliebig vielen geradzahligen Eingängen. Hierbei wird immer paarweise um einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang erweitert, wobei die Laufzeit der Signale durch den Verstärker nicht beeinflusst wird. Beim Verstärken wird ein beliebiger invertierender Eingang zur Einstellung der Verstärkung eingesetzt und die anderen Eingänge mit den Eingangssignalen belegt. Die Signaleingänge werden durch ihre hohe Eingangsimpedanz voneinander entkoppelt. So kann mit einer einzelnen Verstärkerschaltung eine Vielzahl von analogen Signalen gleichzeitig hochimpedant abgetastet, summiert bzw. subtrahiert und um einen vorbestimmten Faktor verstärkt werden, ohne dabei die Kennwerte der Verschaltung zu beeinträchtigen. Die neue Schaltung sorgt somit für hohe Eingangsimpedanzen, hohe Bandbreite, hohe Flankensteilheit und geringe Totzeiten.

Vorteile

Mithilfe des Konzepts ist es möglich, mehrere herkömmliche miteinander verschaltete OPs durch eine einzelne Verstärkerschaltung zu ersetzen. Dadurch können gängige Schaltungen, wie bspw. Instrumentenverstärker, Brückenschaltungen, Messverstärker sowie Filter vereinfacht und/oder verbessert werden. Durch die frei wählbare Anzahl der Eingänge ergeben sich neue Anwendungen, die mit bisherigen Schaltungen nicht bzw. nur mit größerem Bauteilaufwand realisierbar waren.

Optionen für Unternehmen

Neben Verstärkern zur Signalverarbeitung lassen sich mithilfe einer H-Brückenschaltung auch hochdynamische Leistungsverstärker aufbauen. Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung oder zur Lizenzierung.