Da auf der Basis von Silizium nur aufwändig konstruierte, teurere hybride Operationsverstärker mit gleichzeitig gutem Hochfrequenzverhalten und hoher Ausgangsspannung und hohem Ausgangsstrom verfügbar sind, wurde in dieser Studie eine Schaltung entworfen, mit der sich relativ einfach und kostengünstig entweder rein mit Silizium-basierten Bauteilen oder auch unter Verwendung von Galliumnitrid-Bauteilen in der Endstufe Hochvolt-Operationsverstärker realisieren lassen. Die Eignung von Galliumnitrid-basierten Transistoren für den Aufbau eines Hochleistungs-Operationsverstärkers konnte sowohl in Simulationen als auch anhand der Charakterisierung der konzipierten Schaltung nach deren Aufbau auf einer Leiterplatte nachgewiesen werden. Die Messergebnisse bestätigten, die durch die Simulationen vorhergesagten Werte für die Verstärkung, während die gemessenen Verstärkungsbandbreiten erwartungsgemäß aufgrund von parasitären Kapazitäten hinter den Werten aus den Simulationen zurückblieben. Mit dem im Rahmen dieser Studie erstellten Schaltungskonzept wurde eine experimentell verifizierte Grundlage für weitere Arbeiten zum Aufbau eines vollständig Galliumnitrid-basierten Operationsverstärkers geschaffen.

Textprobe: Kapitel 3, Stand der Technik und Anwendungen: 3.1, Einteilung von marktverfügbaren Operationsverstärkern: Aktuell ist eine sehr große Vielfalt an Operationsverstärkern auf dem Markt verfügbar. Eine Einteilung kann vorgenommen werden anhand des Anwendungsgebiets, für das sie konzipiert wurden. Praktisch alle marktverfügbaren Operationsverstärker basieren auf Si-Technologie und Bipolar bzw. Feldeffekttransistoren nur sehr wenige Operationsverstärker sind in SiGe-Technologie verfügbar. Der Grund dafür ist der immense Preisdruck bei solchen Bauteilen, dem man momentan nur mit der Si-Technologie und in begrenztem Umfang für Spezialanwendungen auch mit SiGe begegnen kann. Im Folgenden soll, in Anlehnung an die Einteilung in [TiS02], ein kurzer Abriss der verschiedenen OPV-Typen gegeben werden. Wo nicht anders erwähnt handelt es sich um normale, VV-Operationsverstärker entsprechend Tab. 2.1 (Abschnitt 2.1.1.1). Im Bereich der Forschung gab es bereits Arbeiten zur Realisierung von Operationsverstärkern auf Basis von GaAs, die allerdings zu keinen Produkten geführt haben. Grund dafür war vermutlich, dass das Ausmaß der Verbesserung der Leistungsdaten den höheren Preis nicht aufwiegen konnte. Universaltypen: keine besonderen elektrischen Eigenschaften besonders preisgünstig bekannte Vertreter: 741, 324 (klassische Standardtypen). Präzisionstypen: hohe Genauigkeit bei Gleichspannung und niedrigen Frequenzen niedrige Offsetspannung, hohe Differenzverstärkung, niedriger Eingangsruhestrom Vermeidung von Thermospannungen erforderlich. Rauscharme Typen: mit Bipolartransistoren am Eingang: Rauschspannungsdichten von 1 nV/vHz realisierbar mit Sperrschicht-FETs am Eingang = 5 nV/vHz erreichbar Sperrschicht-FETs vorteilhaft bei hochohmigen Quellen Gegenkopplungswiderstände so niederohmig wie möglich, damit Rauschstrom des Verstärkers möglichst kleine Rauschspannungen bewirkt. Single-Supply-Verstärker: Ausgangsausteuerbarkeit bis zur negativen oder positiven Betriebsspannung z.T. Stromaufnahme im pA-Bereich besonders für Batteriebetrieb (kein Ausschalter erforderlich) Nachteil: kleine Bandbreite und niedrige Slew-Rate. Rail-to-Rail-Verstärker: Aussteuerbarkeit bis zur Betriebsspannung am Ausgang und am Eingang besonders für niedrige Betriebsspannungen (Angabe der minimalen Betriebsspannung notwendig). Hohe Ausgangsspannung: in Si-Technologie wenige OPVs mit hoher Ausgangsspannung verfügbar in Si-Technologie Realisierung in Form von aufwendigen und teuren Hybridschaltungen. Hoher Ausgangsstrom: bei großen Ausgangsströmen große Verlustleistungen möglichst niedrige Betriebsspannungen wegen Wärmeentwicklung gute Kühlung erforderlich (Limitierung der Si-Technologie) Nachteil: in der Regel geringe Bandbreite und niedrige Slew-Rate nur Hybridschaltungen für Bestwerte. Hohe Bandbreite: meist VV-Operationsverstärker Nachteil: meist schlechte Gleichspannungsdaten (hohe Offsetspannung, hoher Eingangsruhestrom, niedrige Differenzverstärkung und hohe Stromaufnahme) Nachteil: meist nur niedrige Betriebsspannungen (max. 15 V) (gute Hochfrequenztransistoren in Si-Technologie nur für niedrige Versorgungsspannungen geeignet). CV-Operationsverstärker: bei gleicher Technologie und Stromaufnahme höhere Slew-Rate und Leistungsbandbreite als vergleichbare VV-Operationsverstärker lediglich ohmsche Gegenkopplungen möglich für hohe Bandbreiten große Betriebsströme erforderlich für Begrenzung der Verlustleistung niedrige Betriebsspannungen = 5 V maximale Ausgangsströme durchweg größer als 20 mA Modelle mit besonders hohen Ausgangsströmen verfügbar. VC-Operationsverstärker: für heutige Verhältnisse zu niedrige Bandbreite und zu kleine Ausgangsströme Transkonduktanz (Steilheit) mit externem Widerstand einstellbar Betrieb mit reiner Stromgegenkopplung möglich Stromaufnahme (maximaler Ausgangsstrom) mit externem Widerstand einstellbar. CC-Operationsverstärker: vielseitig einsetzbar mit hohen Bandbreiten selten eingesetzt, da Denken in Strömen wenig verbreitet Ruhestrom mit externen Widerstand einstellbar. In den Vergleichstabellen, die z.B. in [TiS02] zu finden sind, oder auch in den Katalogen von Distributoren elektronischer Komponenten (z.B. http://de.farnell.com) kann man die folgenden Eigenschaften ablesen und zum Vergleich heranziehen: Genauigkeit bei Gleichspannungen am Eingang: Offsetspannung und Eingangsruhestrom Tauglichkeit für hohe Frequenzen: Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (Bandbreite des Verstärkers bei einer Verstärkung von 0 dB) und die Slew-Rate. Spannungsbelastbarkeit: minimale und maximale Versorgungsspannung: Die maximale Gleichtakt- und Ausgangsspannung liegt bei normalen Operationsverstärkern betragsmäßig typischerweise um etwa 1 V unterhalb der höchsten zulässige Versorgungsspannung. Eine Ausnahme bilden die Single-Supply-Typen, deren Aussteuerbarkeit bis zur negativen Betriebsspannung reicht, und die Rail-to-Rail-Verstärker, die beide Versorgungsspannungen erreichen können. Bei niedrigen Versorgungsspannungen ist diese Eigenschaft besonders wichtig. Ausgangsbelastbarkeit: Ausgangsstrom: Häufig ist nicht nur ein einziger Operationsverstärker in einem Gehäuse untergebracht, sondern zwei oder vier Verstärker. Es ist daher darauf zu achten, ob die angegebenen Maximalwerte für einen Operationsverstärker oder für alle im Gehäuse eingebauten zusammen gelten.

• Feldeffekttransistor

• Hohe Leistung

• Silizium-Substrat

• Hochfrequenzverhalten

• Verstärkungsbandbreite

• Schaltungskonzept

Roland Krebs wurde 1976 in Aschaffenburg geboren. Nach dem Studium und der Promotion in Physik mit dem Schwerpunkt Halbleiterphysik und –technologie an der Universität Würzburg, war der Autor in verschiedenen Positionen als Manager für Forschungs- und Technologieprojekte im Bereich der Hochfrequenztechnik tätig. Im Laufe dieser beruflichen Tätigkeit ist ein besonderes Interesse an der Hochfrequenztechnik und insbesondere an der Galliumnitrid-Technologie entstanden, auf der heutzutage viele Halbleiterbauteile der Hochfrequenztechnik basieren. Aufgrund dieses persönlichen Interesses und zur berufsbegleitenden Weiterbildung nahm der Autor ein Studium an der FernUniversität Hagen im Fach Elektrotechnik auf. Im Rahmen dieses Studiums und basierend auf den vorhandenen akademischen und beruflichen Kenntnissen ist die vorliegende Studie entstanden.