Diskreter Operationsverstärker OPB3

Schaltung / Messergebnisse / Frequenzgangkompensation

Es gibt eine große Anzahl von integrierten Operationsverstärkern mit sehr guten Eigenschaften zu kaufen. Allerdings haben diese auch einige grundsätzliche Schwächen. Dazu gehören Probleme bei hohen Eingangsimpdanzen oder kleinen Lastwiderständen, also gerade an den Schnittstellen von Vorverstärkern zu anderen Komponenten der Audioanlage. Dies führt z.B. dazu, dass der Sound eines CD-Laufwerks oder Plattenspieler nicht nur vom Zuspieler selber, sondern auch von der Verzerrungen des Vorverstärkers abhängt, die dieser auf Grund der Ausgangsimpedanz der Zuspielers erzeugt. Das bereitet natürlich große Probleme bei der Optimierung der Anlage, da der Austausch einer Komponente durch diese Wechselwirkungen kaum überschaubare Auswirkungen hat. Die Lösung ist ein Operationsverstärker mit extrem linearer Eingangsimpedanz und einer potenten Ausgangsstufe.

Schauen wir uns mal zwei der Probleme von vielen integrierten Operationsverstärkern am Beispiel eines OPA2134 an.

Im mittleren Diagramm sieht man die Abhängigkeit der harmonischen Verzerrungen vom Widerstandswert Rin bei einem einzelnen, willkürlich gewählten, OP2134. Die Messfrequenz beträgt 1kHz, die Messamplitude 1Veff. Schon relativ kleine Werte von Rin, wie sie in typischen Audiogeräten durchaus vorkommen, führen zu einer nennenswerten Erhöhung der harmonischen Verzerrungen.

Das rechte Diagramm zeigt die Abhängigkeit der harmonischen Verzerrungen vom Lastwiderstand RL. Auch hier sieht man schon bei Werten unter 2kOhm einen deutlichen Anstieg der harmonischen Verzerrungen. Besonders betroffen sind die ungeraden Oberwellen K3 und K5. Typisch für Gegentaktendstufen. Hier hilft nur Ruhestrom. Und der ist in integrierten Op's schon aus Gründen der Verlustleistung begrenzt.

Die Schaltung

Die Eingangsstufe ist ein klassischer Differenzverstärker mit gematchten JFET's auf Stromquellen. Das eigentlich besondere an der Eingangsstufe ist das Bootstraping. Mit Q19 wird der Gleichtaktanteil der Eingangsspannung abgegriffen und über D3 mit einem Versatz von +5,6V auf die beiden Kaskode-Transistoren Q11,Q12 gegeben. Dadurch wird die die Drain-Source-Spannung der Eingangstransistoren konstant gehalten. Und das bedeutet auch, dass die Drain-Gate-Kapazität von Q11,Q12 nicht mehr von der Gleichtaktspannung abhängen. Diese sind aber ursächlich für Verzerrungen bei hohen Eingangsimpedanzen.

Dazu ist die Eingangsstufe massiv gegengekoppelt. Ich bin kein Freund von Linearisierung durch extreme Über-Alles-Gegenkopplung. Lieber linearisiere ich jede einzelne Verstärkungsstufe weitgehend auf Kosten der Ringverstärkung. Dies führt meiner Erfahrung nach zu wirklich guten Ergebnissen.

Die Eingangsdifferenzstufe arbeitet auf Stromquellen mit Q2. Die Ausgangsspannung wird über die Emitterfolger Q4 auf die zweite Differenzverstärkerstufe geleitet. Auch die ist stark gegengekoppelt. Über einen Stromspiegel Q21,Q23,Q25 geht die Signalspannung auf eine Klass-A Endstufe mit ca. 20mA Ruhestrom. Das reicht bei 1Veff Ausgangsspannung für Lastwiderstände bis unter 100 Ohm.

Messergebnisse

OPB3 auf einem Messboard

Die harmonische Verzerrung als Funktion der Eingangsimpedanz ist im Rahmen meiner Messgenauigkeit ca. 50dB besser als unsere integrierte Referenz. Erst ab 100kOhm Eingangswiderstand erhöht sich K2 leicht. K3-Kx sind mit meinem Messsystem nicht zu erfassen und liegen auch bei einem Eingangswiderstand von 1 MegOhm unter -138dB. Das selbe gilt auch für die harmonische Verzerrung in Abhängigkeit des Lastwiderstandes. Hier liegen alle Oberwellen bis herunter zu einem Lastwiderstand von 51Ohm unterhalb der Messgrenze. 

Frequenzgangkompensation

Ein Nachteil eines solchen diskreten Operationsverstärkers ist seine begrenzte Bandbreite. Durchtrittsfrequenzen der Leerlaufverstärkung von über 20MHz, wie sie bei integrierten Audio OP's realisierbar sind, stehen bis zu 3MHz beim OPB3 gegenüber. Dieser Nachteil läßt sich aber auf einfache Weise durch die anpassbare Frequenzgangkompensation in einen Vorteil verwandeln. Durch die diskrete Bauweise ist man nicht mehr auf eine universelle, 1-polige Frequenzgangkompensation angewiesen, sondern kann diese an die speziellen Anforderungen der jeweiligen Aufgabe anpassen. Die beeinflussenden Bauteile sind R19/20, R12, C1, R9, C3 und R16. Hier die jeweils richtige Kombination zu finden erfordert sicherlich ein wenig Erfahrung, das Ergebnis ist aber überzeugend. Hier ein Beispiel für eine optimierte Frequenzgangkompensation für einen OPB3 als linearer Verstärker mit 22dB Verstärkung. Als Vergleich hab ich mal die Leerlaufverstärkung eines OPA2134 mit eingezeichnet. Im unteren Diagramm sind die Beträge der Leerlaufverstärkungen (rot = OP3, blau = OPA2134), oben der Phasenverlauf eingezeichnet.

Die Leerlaufverstärkung des OPB3 ist in diesem Beispiel 2-polig ausgelegt und wird kurz vor der Durchtrittsfrequenz der Ringverstärkung bei 2MHz auf 1-polig abgefangen. Das führt zu einer sehr guten Phasenreserve von knapp 60°. Im Vergleich zum OPA2134 ist die Ringverstärkung bei 20kHz um ca. 40dB größer. Das Verstärkungsbandbreiteprodukt bei 20kHz liegt hier beim OPB3 bei 400MHz, beim OPA 2134 bei 8MHz. Das ist schon ein erheblicher Unterschied und führt natürlich zu einer extrem niedrigen Verzerrungen der OP-Schaltung auch in Anwendungen mit hoher Verstärkung, wie sie zB. in MM/MC-Verstärkern benötigt werden.