OpAmp: Einfacher Verstärker mit wählbarer Verstärkung (1x oder 10x via GPIO)

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Diese Schaltung ist eine einfache Variante eines Verstärkers mit wählbarer Verstärkung.

Wenn CTRL auf Low gezogen wird (d.h. auf GND), sieht die Schaltung effektiv so aus:

Aufgrund des vernachlässigbaren Eingangs-Biasstroms bei JFET-OpAmps wie dem TL084 (d.h. den meisten modernen OpAmps unter 100 MHz GBW), ist diese Schaltung im Wesentlichen nur ein Gain-1-Buffer.

Wenn CTRL auf High gezogen wird (d.h. z.B. auf 5V), sieht die Schaltung effektiv so aus:

welche eine Verstärkung von ($\frac{10 k\Omega}{10 k\Omega + 90 k\Omega} = \frac{10 k\Omega}{100 k\Omega} = 10$ hat. Passe diese

Ein Aspekt, der hier berücksichtigt werden muss, ist der RDSon des MOSFETs Q1. Dieser wird zu R1 addiert und führt zu einem Verstärkungsfehler im System. Der BSS123 hat beispielsweise einen relativ hohen RDSon von bis zu 10 Ohm bei VGS = 4,5V. Für R1 = 10kOhm beträgt die effektive Worst-Case-Verstärkung:

$\frac{10 k\Omega + 10 \Omega}{10 k\Omega + 10 \Omega + 90 k\Omega} = \frac{10 k\Omega}{100 k\Omega} = 10.001$ oder 0,01%. Für die meisten Anwendungen ist dies irrelevant, da andere Aspekte wie Widerstandstoleranz oder Temperaturkoeffizient des Widerstands den Systemfehler um Größenordnungen stärker beeinflussen. Dieser Verstärkungsfehler variiert mit der Temperatur, da der RDSon temperaturempfindlich ist, und oft ist die Variation ein größeres Problem als der Verstärkungsfehler selbst.

Eine Möglichkeit zur Minderung besteht darin, große Werte für R1 und R2 zu wählen. Die Wahl von R1=100kOhm und R2=900kOhm in diesem Beispiel reduziert sowohl den Verstärkungsfehler als auch den Temperaturkoeffizienten des Verstärkungsfehlers durch den RDSon von Q1 um eine Größenordnung. Ich empfehle, keine Widerstände größer als 1 MOhm zu wählen, ohne den Biasstrom des OpAmps, die Temperaturdrift des Biasstroms usw. weiter zu berücksichtigen, da diese selbst bei JFET-Eingangs-OpAmps relevant werden, wenn man einige Megaohm überschreitet.

Beachte, dass der RDSon des MOSFETs bei VGS=3,3V schlechter sein wird und einige MOSFETs bei dieser Spannung nicht richtig durchschalten. Wähle einen MOSFET, der sowohl zur Logikspannung als auch zu den RDSon- bzw. Verstärkungsfehler-Anforderungen passt. Ich beginne oft mit dem BSS138, da ich viele davon auf Lager habe, welcher in den meisten praktischen Bedingungen weniger als 1 Ohm Widerstand aufweist.

Eine weitere Überlegung für diese Schaltung ist, dass die MOSFET-Body-Diode leitet, wenn die Spannung am invertierenden Eingang des OpAmps über die Durchlassspannung der MOSFET-Body-Diode steigt (typischerweise sollte man hier 0,7V annehmen, auch wenn die spezifizierte Body-Diode-Spannung etwas höher ist, um ausreichend Spielraum zu haben). In der Praxis bedeutet dies typischerweise, dass man diese Schaltung nicht ohne Modifikation verwenden sollte, wenn man bipolare Spannungen und Signale verwendet, die negativer als GND gehen.