Chopperverstärker

Ein Chopper-Verstärker (oder auch Zerhacker-Verstärker) ist eine elektronische Schaltung zur Verstärkung von sehr kleinen Gleichspannungen. Haupteinsatzgebiet ist die Messtechnik.

Hintergrund

Verringerung des 1/f-Rauschens durch Verschiebung auf einen höheren Frequenzbereich

Bei der Verstärkung geringer niederfrequenter Spannungen verfälschen häufig Nullpunktdrift und Offset das Ergebnis. Dadurch ändert sich bei konstanter Eingangsspannung die Ausgangsspannung unkontrolliert abhängig z. B. von der Temperatur oder der Alterung der Bauelemente.

Gleichspannungsverstärker leiden ausnahmslos unter dem 1/f-Rauschen, das häufig mehr stört als das Wärmerauschen, welches sich ja durch Kühlung verringern lässt. Dieses „Rosa Rauschen“ ist beim Chopperverstärker prinzipbedingt stark reduziert, wie im Bild am Beispiel eines Verstärkers der Bandbreite 100 Hz gezeigt wird.

• Erfolgt die Verstärkung unmittelbar und ohne Frequenzumsetzung, addiert sich zur Eingangsspannung die linke blau gefärbte „Rauschmenge“, die mit sinkender Frequenz stark zunimmt.
• Beim Chopperverstärker wird die Eingangsspannung beispielsweise mit der wesentlich höheren Frequenz f = 10 kHz „zerhackt“. Das entspricht der Amplitudenmodulation eines 10 kHz-Trägers mit der Messspannung. Die Fourieranalyse des Signals zeigt, dass die Eingangsspannung in den Seitenbändern des Trägers enthalten ist. Diese erstrecken sich über den Bereich f-100 Hz bis f+100 Hz. Nur dieser hohe Bereich wird nachfolgend verstärkt, dort ist das 1/f-Rauschen erheblich geringer als im Basisbereich 0..100 Hz. Bei der abschließenden Synchrongleichrichtung erscheint nur dieser geringe Rauschanteil (die rechte blau gefärbte „Rauschmenge“) im Ausgangssignal.

Je kleiner die zu messende Spannung, desto gravierender sind die Auswirkungen aller Störmöglichkeiten. Mit speziellen Differenzverstärkern lassen sich diese Probleme nur verringern, mit Chopperverstärkern fast ganz ausschalten.

Prinzip

Einfacher Zerhacker des Eingangssignals

Nullpunktsdrift stört nicht bei Wechselspannungsverstärkern, denn an Ein- und Ausgang ist immer ein Koppelkondensator, der keine Gleichspannung passieren lässt. Deshalb wird die zu verstärkende Gleichspannung zunächst durch einen Zerhacker (Chopper, siehe nebenstehendes Bild) in eine Wechselspannung umgewandelt, anschließend verstärkt und danach wieder gleichgerichtet. Das Verfahren besitzt viele Vorteile: Ein Wechselstromverstärker

• kann einfacher gebaut werden als ein entsprechender Gleichstromverstärker
• besitzt bessere Langzeitstabilität trotz Änderungen (Alterung) der Bauelemente
• hat stabile Verstärkung trotz Temperaturänderung
• ist produktionstechnisch gut reproduzierbar
• die individuelle Kompensation der Offsetspannung ist überflüssig

Chopperverstärker besitzen auch Nachteile:

• Die höchste zu verarbeitende Frequenz muss deutlich unter der Zerhackerfrequenz liegen. Die übliche Grenzfrequenz liegt unter 100 Hz.
• Preis, Volumen und Komplexität sind deutlich höher als beim Operationsverstärker

Schaltung

Blockschaltbild eines Chopperverstärkers

Die Eingangsspannung wird durch einen elektronischen Schalter (meist ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor) einige Tausend Mal pro Sekunde kurzgeschlossen, wodurch ein schwaches Wechselspannungssignal entsteht. Dieses wird etwa 10000-fach verstärkt und mit einem zweiten JFET im gleichen Rhythmus (synchron) gleichgerichtet. Die dabei entstehende pulsierende Gleichspannung muss mit einem RC-Tiefpass von allen störenden Wechselspannungsanteilen befreit werden und entspricht dann der Eingangsspannung.

An Stelle des elektronischen Schalters, der durch den periodischen Kurzschluss die Eingangsspannung belastet, werden auch Brückenschaltungen mit Kapazitätsdioden verwendet, die hochohmiger sind.

Eine mögliche Offsetspannung des zentralen Wechselspannungsverstärkers wird durch den anschließenden Kondensator daran gehindert, an den Ausgang der Schaltung zu gelangen. Eine externe Gegenkopplung wie bei einem Operationsverstärker eliminiert alle Fertigungstoleranzen des Chopperverstärkers.

Anwendungen

Wenn in der Messtechnik extrem kleine Gleichspannungen verstärkt werden müssen, sind Chopperverstärker erste Wahl. Beispielsweise bei Spannungsmessgeräten im Picovoltbereich, Dehnungsmessstreifen, Hallsensoren und Zweistrahl-Photometern.

Der chopperstabilisierte Verstärker ist eine Kombination aus

• Wechselspannungsverstärker mit hoher oberer Grenzfrequenz und
• Chopperverstärker für den Bereich zwischen Gleichspannung und unterer Grenzfrequenz des Wechselspannungsverstärkers

und umgeht den einzigen Nachteil des Chopperverstärkers.

Weblinks

• Der Chopper-(stabilisierte)verstärker - pdf
• Messverstärker - pdf