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Ein Instrumentierungsverstärker (manchmal kurzhändig als In-Ampere oder InAmp) ist ein Präzisionsdifferenzverstärker, der mit Eingangspufferverstärkern ausgestattet ist, die speziell entwickelt wurden, um kleine Differenzsignale zu verstärken, während große Gleichtaktspannungen zurückgewiesen werden.

Im Gegensatz zu Standard-Operationsverstärkern weisen Instrumentenverstärker einen sehr geringen DC-Offset, eine geringe Drift, ein geringes Rauschen, eine sehr hohe Open-Loop-Verstärkung, ein sehr hohes Gleichtakt-Abwehrverhältnis und sehr hohe Eingangsimpedanzen auf. Diese Eigenschaften machen sie einzigartig geeignet für Anwendungen, die eine präzise Signalkonditionierung in elektrisch verrauschten Umgebungen erfordern. Dieser umfassende Leitfaden untersucht die grundlegenden Prinzipien, Architektur, Spezifikationen, praktische Anwendungen und Implementierungsstrategien für Instrumentenverstärker.

Die Grundlagen von Instrumentation Verstärkern verstehen

Was Instrumentation Verstärker anders macht

Ein Instrumentenverstärker ist ein Differenzverstärker, der für hohe Eingangsimpedanz und hohe CMRR optimiert ist. Der Hauptunterschied zwischen Instrumentenverstärkern und Standard-Operationsverstärkern liegt in ihrer speziellen Konstruktion für Messanwendungen. Während Operationsverstärker Allzweckgeräte sind, die verschiedene Signalverarbeitungsfunktionen ausführen können, sind Instrumentenverstärker für eine bestimmte Aufgabe ausgelegt: die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen genau zu verstärken und jede Spannung, die beiden Eingängen gemeinsam ist, abzulehnen.

Instrumentenverstärker werden dort eingesetzt, wo eine hohe Genauigkeit und Stabilität der Schaltung sowohl kurz- als auch langfristig erforderlich sind, was sie zu wesentlichen Komponenten in Präzisionsmesssystemen macht, in denen selbst kleinste Signaländerungen ohne Verzerrung oder Interferenz von Umgebungsgeräuschquellen erfasst werden müssen.

Die Three-Op-Amp-Architektur

Obwohl der Instrumentenverstärker in der Regel schematisch mit einem Standard-Operationsverstärker (Op-Ampere) identisch dargestellt ist, besteht der elektronische Instrumentenverstärker intern fast immer aus 3 Op-Amperes, wobei diese Drei-Op-Ampere-Konfiguration die am häufigsten verwendete und weit verbreitete Topologie für Instrumentenverstärker darstellt.

Diese sind so angeordnet, daß jeder Eingang mit einem Operationsverstärker (+, -) und der andere mit einem Operationsverstärker (+, -) gepuffert wird, um den gewünschten Ausgang mit ausreichender Impedanzanpassung für die Funktion zu erzeugen. Die erste Stufe besteht aus zwei nichtinvertierenden Verstärkern, die eine hohe Eingangsimpedanz und anfängliche Verstärkung bieten, während die zweite Stufe ein Präzisionsdifferenzverstärker ist, der das Signal weiterverarbeitet und den endgültigen Single-Ende-Ausgang liefert.

Das Schöne an dieser Drei-Op-Ampere-Anordnung ist, dass die Zwei-Eingangsstufe die Eingangsimpedanzen des endgültigen Differenzverstärkers puffert, was das Rauschen reduziert Diese Architektur bietet mehrere entscheidende Vorteile gegenüber einfacheren Differenzverstärker-Anordnungen, einschließlich überlegener Gleichtaktunterdrückung, höherer Eingangsimpedanz und flexiblerer Verstärkungssteuerung.

Wie Instrumentation Verstärker funktionieren

Das Funktionsprinzip eines Instrumentenverstärkers konzentriert sich auf die Differenzsignalverstärkung. Wenn zwei Eingangssignale an den Verstärker angelegt werden, verstärkt das Gerät nur die Spannungsdifferenz zwischen ihnen, während es jede Spannung unterdrückt, die an beiden Eingängen gleichermaßen auftritt. Diese Gleichtaktspannung kann elektrisches Rauschen, Erdpotentialunterschiede oder Störungen durch nahe gelegene Geräte umfassen.

Das Differenzsignal wird dann durch die Puffer verstärkt, während ein Gleichtaktspannungssignal, das an den Ausgängen dieser beiden Operationsverstärker gleich auftritt, stark gedämpft wird. Es verbleibt nur das verstärkte Differenzsignal von (V2 - V1). Dieses grundlegende Funktionsprinzip ermöglicht es Instrumentenverstärkern, kleine Signale aus verrauschten Umgebungen zu extrahieren, in denen die unerwünschte Gleichtaktspannung um Größenordnungen größer sein kann als das gewünschte Differenzsignal.

Wichtige Spezifikationen und Leistungsmerkmale

Common-Mode-Abweisungsverhältnis (CMRR)

Die Gleichtakt-Abweisungsrate (Common Mode Rejection Ratio, CMRR) eines Differenzverstärkers (oder eines anderen Geräts) ist eine Metrik, die verwendet wird, um die Fähigkeit des Geräts zu quantifizieren, Gleichtaktsignale abzulehnen, d. h. solche, die gleichzeitig und phasengleich an beiden Eingängen erscheinen. CMRR stellt vielleicht die kritischste Spezifikation für Instrumentenverstärker dar, da sie direkt die Fähigkeit des Verstärkers bestimmt, kleine Differenzsignale bei großen Gleichtaktspannungen zu extrahieren.

Die CMRR ist definiert als das Verhältnis der Leistungen der differentiellen Verstärkung zu der Gleichtaktverstärkung, gemessen in positiven Dezibeln. Höhere CMRR-Werte zeigen eine bessere Leistung, wobei typische Instrumentenverstärker CMRR-Werte von 80 dB bis über 130 dB erreichen. Einzelchip-Instrumentenverstärker haben typischerweise lasertrimmte Widerstände, um eine CMRR von über 100 dB, manchmal sogar 130 dB zu erreichen.

Eine hohe CMRR ist dann erforderlich, wenn bei Vorhandensein eines eventuell großen Gleichtakteingangs, wie z.B. starke elektromagnetische Störungen (EMI), ein Differenzsignal verstärkt werden muss, was in der Praxis bedeutet, dass ein Instrumentenverstärker mit einer CMRR von 100 dB Gleichtaktsignale zurückweisen kann, die 100.000-mal größer sind als das zu messende Differenzsignal.

Eingangsimpedanz

Eine weitere wichtige Spezifikation, die Instrumentenverstärker von anderen Verstärkertypen unterscheidet, ist die Eingangsimpedanz, da beide Eingänge an die nichtinvertierenden Anschlüsse der Operationsverstärker angelegt sind, hoch. Diese hohe Eingangsimpedanz, typischerweise im Bereich von Hunderten von Megohms bis Teraohms, stellt sicher, dass der Verstärker die Signalquelle nicht belastet.

Die drei Operationsverstärker liefern an ihren Eingängen sehr hohe Impedanzen. Daher erscheint die Thevenin-Äquivalentspannung der Brücke am Verstärkereingang, ohne durch die Spannungsteiler gedämpft zu werden. Da der Quellenwiderstand in der Verstärkungsgleichung nicht erscheint, haben wir eine vorhersagbarere Verstärkung und höhere Genauigkeit. Diese Eigenschaft macht Instrumentenverstärker ideal für die Verbindung mit hochohmigen Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Thermoelemente und biomedizinische Elektroden.

Gain-Konfiguration und Steuerung

Die Spannungsverstärkung eines Instrumentenverstärkers wird in erster Linie durch einen einzigen externen Widerstand, der oft als "Gain-Widerstand" (RG) bezeichnet wird, zwischen den beiden Eingangspuffer-Op-Amplitudenverstärkern bestimmt, was einen wesentlichen praktischen Vorteil gegenüber herkömmlichen Differenzverstärkern darstellt.

Ein Vorteil dieser Schaltung ist, dass ein einzelner Widerstand, der nicht mit einem anderen Widerstand in der Schaltung abgestimmt werden muss, die Verstärkung bestimmt. Dies ermöglicht es uns, die Schaltungsverstärkung leichter anzupassen. Die Verstärkungsgleichung für einen typischen Drei-Op-Ampere-Instrumentierungsverstärker ermöglicht eine präzise Verstärkungsanpassung, indem einfach der Wert eines einzelnen externen Widerstands geändert wird, ohne dass angepasste Widerstandspaare oder komplexe Kalibrierungsverfahren erforderlich sind.

Der Verstärkungs-Einstellwiderstand (RG) kann so gewählt werden, dass er einen Verstärkungswert innerhalb des Betriebsbereichs der Vorrichtung (typischerweise von 1 bis 1000) wählt, wodurch Instrumentierungsverstärker so vielseitig sind, dass sie Signale von Mikrovolt bis Volt verarbeiten können, die unterschiedlichen Sensortypen und Messanforderungen gerecht werden.

Lärmleistung

Die Rauschleistung ist bei Präzisionsmessanwendungen, bei denen kleine Signale ohne Verschlechterung verstärkt werden müssen, von entscheidender Bedeutung; die Rauschleistung wird in erster Linie von der Eingangsstufe bestimmt; die Verwendung von geräuscharmen Operationsverstärkern (Op-Amperes) mit hohem Gleichtakt-Abstoßungsverhältnis (CMRR) reduziert das Differenzrauschen.

Moderne Instrumentenverstärker erreichen bemerkenswert niedrige Rauschpegel, mit Eingangsreferenz-Rauschspannungsdichten von nur 1-10 nV/√Hz, die sicherstellen, dass der Verstärker selbst die kleinen gemessenen Signale nicht maskiert oder korrumpiert, was insbesondere bei Anwendungen wie biomedizinischer Signalerfassung, Präzisionswägesystemen und Sensormessungen auf niedrigem Niveau von Bedeutung ist.

Offsetspannung und Drift

Die Offsetspannung stellt die Ausgangsspannung dar, die an beiden Eingängen anliegt, wenn beide Eingänge auf dem gleichen Potential liegen. Der Offset-Vergleich mit niedrigem Gleichstrom sorgt dafür, dass der Verstärker keine unerwünschte Gleichspannung am Ausgang einführt, was für genaue Signalmessungen mit niedrigem Pegel entscheidend ist.

Niedriger Drift: minimale Variation der Verstärkerleistung aufgrund von Temperaturänderungen oder Zeit, die eine zuverlässige und konsistente Signalverstärkung bei Präzisionsanwendungen gewährleistet.

Integrierte Schaltungsinstrumentierung Verstärker

Vorteile der monolithischen Integration

Instrumentenverstärker können mit einzelnen Operationsverstärkern und Präzisionswiderständen gebaut werden, sind aber auch in integrierten Schaltungen von mehreren Herstellern erhältlich (einschließlich Texas Instruments, Analog Devices und Renesas Electronics).

Ein IC-Instrumentierungsverstärker enthält typischerweise eng abgestimmte lasertrimmte Widerstände und bietet daher eine ausgezeichnete Gleichtaktunterdrückung, wobei die durch integrierte Schaltungsherstellungsverfahren erreichbare Präzisionswiderstandsanpassung weit über das hinausgeht, was mit diskreten Bauelementen wirtschaftlich erreicht werden kann, was zu einer überlegenen CMRR-Leistung und Gewinngenauigkeit führt.

Die internen Widerstände sind eng aufeinander abgestimmt, mit Toleranzen, die nur mit einem getrimmten Widerstandshalbleiterverfahren möglich sind, um ein sehr hohes Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) zu erzielen, wobei diese Anpassung in Kombination mit der thermischen Nachführung von Bauteilen auf demselben Silizium-Dies gewährleistet eine stabile Leistung über Temperaturschwankungen hinweg.

Beliebte Instrumentenverstärker-ICs

Beispiele hierfür sind INA128, AD8221, LT1167 und MAX4194. Diese Geräte stellen branchenübliche Instrumentierungsverstärker dar, die in verschiedenen Anwendungen weit verbreitet sind und jeweils spezifische Leistungsmerkmale bieten, die auf unterschiedliche Anwendungsanforderungen zugeschnitten sind.

Der AD8221 ist beispielsweise für eine außergewöhnliche CMRR-Leistung in einem weiten Frequenzbereich bekannt. Überlegene CMRR (80 dB min bis 10 kHz bei G = 1), extrem niedriges Rauschen (8 nV/√Hz) und einfache Verstärkungsprogrammierung über einen einzigen externen Widerstand machen ihn besonders geeignet für medizinische und industrielle Sensoranwendungen.

Wie z. B. AD524, AD620, INA105, INA115 oder INA332, um nur einige zu nennen: Die Auswahl eines geeigneten Instrumentenverstärker-IC hängt von den spezifischen Anwendungsanforderungen ab, einschließlich Verstärkungsbereich, Bandbreite, Versorgungsspannung, Rauschleistung und Kostenbeschränkungen.

Alternative Architekturen

Während die Drei-Op-Ampere-Konfiguration dominiert, existieren für bestimmte Anwendungen alternative Architekturen. Instrumentierungsverstärker können auch unter Verwendung einer "indirekten Stromrückkopplungsarchitektur" ausgelegt werden, die den Arbeitsbereich dieser Verstärker auf die negative Stromversorgungsschiene und gegebenenfalls die positive Stromversorgungsschiene ausdehnt, was insbesondere bei Einspeisesystemen, bei denen die negative Stromversorgungsschiene einfach die Schaltungsmasse (GND) ist, nützlich sein kann.

Der ICF-Ansatz bietet auch bei hohen Frequenzen eine hohe CMRR, die einen breiteren Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich hat und keine auf Chips getrimmten Widerstände benötigt, wodurch die temperaturkoeffiziente Verstärkungsdrift verringert und die Gesamtsystemkosten gesenkt werden. Die Architektur der indirekten Stromrückkopplung bietet Vorteile in Anwendungen, die einen Betrieb von Schiene zu Schiene oder eine verbesserte AC-CMRR-Leistung erfordern.

Praktische Anwendungen von Instrumentation Verstärker

Medizinische und biomedizinische Instrumente

Medizinische Instrumente: EKG- und EEG-Verstärker erfordern eine hohe CMRR, um Interferenzen zu vermeiden. Die biomedizinische Signalerfassung stellt eine der anspruchsvollsten Anwendungen für Instrumentenverstärker dar. Elektrokardiogramm (EKG), Elektroenzephalogramm (EEG) und Elektromyogramm (EMG) sind extrem klein, typischerweise im Mikrovolt-Millivolt-Bereich und müssen bei signifikanten elektrischen Störungen durch Stromleitungen, Muskelaktivität und andere Quellen gemessen werden.

Die hohe Eingangsimpedanz von Instrumentenverstärkern ist besonders wichtig für biomedizinische Anwendungen, da sie die Belastung der hochohmigen Elektroden, die zur Erfassung von Biopotentialsignalen verwendet werden, minimiert. Die ausgezeichnete CMRR stellt sicher, dass Gleichtaktstörungen, wie 50/60 Hz Stromleitungsrauschen, das an allen Elektroden gleichermaßen auftritt, effektiv abgewiesen werden, während die kleinen differentiellen bioelektrischen Signale genau verstärkt werden.

Industrielle Sensoranwendungen

Industrielle Sensoren: Dehnungsmessgeräte und Brückenverstärker profitieren von einer präzisen differentiellen Verstärkung. Dehnungsmessgeräte, Drucksensoren, Wägezellen und andere brückenbasierte Wandler erzeugen kleine Differenzspannungsausgänge, die eine präzise Verstärkung erfordern.

Dadurch ist es zweckmäßig, eine Schnittstelle mit resistiven Brückennetzwerken wie der Wheatstone-Brücke herzustellen, die mit Wandlern verbunden ist. Die hohe Eingangsimpedanz von Instrumentenverstärkern verhindert eine Belastung der Brückenschaltung, die sonst zu Messfehlern führen würde. Die Möglichkeit, Gleichtaktspannungen auszuschalten, gewährleistet genaue Messungen auch dann, wenn die Brücke auf erhöhten Gleichtaktpotentialen oder in elektrisch verrauschten industriellen Umgebungen arbeitet.

Instrumentenverstärker werden in erster Linie zur Verstärkung wesentlich kleinerer Differenzsignale von Dehnungsmessstreifen, Thermoelementen und piezoelektrischen Bauelementen verwendet, die häufig Ausgangssignale im Millivolt- oder Mikrovoltbereich erzeugen, die vor der Analog-Digital-Wandlung oder der weiteren Signalverarbeitung eine erhebliche Verstärkung erfordern.

Datenerfassungssysteme

Datenerfassung: Hochohmiges Puffern minimiert Belastungseffekte auf Sensorausgänge. Bei mehrkanaligen Datenerfassungssystemen dienen Instrumentierungsverstärker als kritische Frontend-Schnittstelle zwischen Sensoren und Analog-Digital-Wandlern (ADCs) und bieten den notwendigen Gewinn, um Sensorausgänge an ADC-Eingangsbereiche anzupassen und gleichzeitig die Signalintegrität zu erhalten.

Die hohe Eingangsimpedanz gewährleistet, dass mehrere Sensoren ohne gegenseitige Interferenzen oder Belastungseffekte verbunden werden können. Die ausgezeichnete CMRR ermöglicht genaue Messungen auch dann, wenn sich Sensoren auf unterschiedlichen Massepotentialen befinden oder wenn lange Kabelstränge Gleichtaktgeräusche einleiten. Das macht Instrumentenverstärker zu wesentlichen Komponenten in der industriellen Prozesssteuerung, Umweltüberwachung sowie Prüf- und Messgeräten.

Thermoelementverstärkung

Thermoelemente erzeugen extrem kleine Spannungssignale, typischerweise Dutzende von Mikrovolt pro Grad Celsius, was sie schwierig macht, genau zu messen. Instrumentationsverstärker bieten die hohe Verstärkung und das geringe Rauschen, die notwendig sind, um diese kleinen Signale zu verstärken, während sie Gleichtaktstörungen ablehnen, die möglicherweise entlang von Thermoelementen aufgenommen werden.

Moderne Instrumentenverstärker-ICs enthalten häufig Merkmale, die speziell für Thermoelementanwendungen entwickelt wurden, wie z. B. die Kompensation von Kaltübergängen und Linearisierungsfunktionen.

Präzisionswägesysteme

In Präzisionswägesystemen verwendete Lastzellen verwenden Dehnungsmessstreifenbrücken, die kleine Differenzspannungsänderungen proportional zum aufgebrachten Gewicht erzeugen; diese Signale reichen typischerweise von wenigen Millivolt im vollen Maßstab, was eine genaue Verstärkung erfordert, ohne Offsetfehler oder Drift einzuführen, die die Wägegenauigkeit beeinträchtigen würden.

Die Fähigkeit, Verstärkung mit einem einzigen Widerstand zu programmieren, ermöglicht eine einfache Kalibrierung für verschiedene Empfindlichkeiten und Messbereiche der Wägezellen. Die ausgezeichnete Langzeitstabilität gewährleistet eine konsistente Wägegenauigkeit über Zeit- und Temperaturschwankungen hinweg.

Entwurfsüberlegungen und Umsetzungsleitlinien

Gain Setting und Berechnung

Die richtige Verstärkungsauswahl ist für die Auslegung des Instrumentenverstärkers von grundlegender Bedeutung, wobei die Verstärkung ausreichen muss, um das erwartete Eingangssignal auf einen für nachfolgende Verarbeitungsstufen geeigneten Pegel zu verstärken, der typischerweise dem Eingangsbereich eines Analog-Digital-Wandlers entspricht, jedoch zu einer Ausgangssättigung oder zu einem verringerten Dynamikbereich führen kann.

Die Verstärkungsgleichung bezieht die Gesamtspannungsverstärkung für die meisten drei-op-Ampere-Instrumentierungsverstärker mit den Werten des Verstärkungseinstellwiderstands und des internen Widerstands in Beziehung. Hersteller stellen in ihren Datenblättern typischerweise Verstärkungsgleichungen und Tabellen zur Verfügung, so dass Entwickler den entsprechenden Verstärkungswiderstandswert für die gewünschte Verstärkung auswählen können. Einige Instrumentierungsverstärker bieten pinprogrammierbare oder digital programmierbare Verstärkung, die Flexibilität für Anwendungen bietet, die mehrere Verstärkungseinstellungen erfordern.

Überlegungen zur Stromversorgung

Die Auswahl der Stromversorgung hat erhebliche Auswirkungen auf die Leistung des Instrumentenverstärkers. Viele moderne Instrumentenverstärker können von Einzelversorgungen mit nur 2,7 V oder von Doppelversorgungen mit einem Bereich von ± 2,5 V bis ± 18 V betrieben werden. Die Versorgungsspannung bestimmt den verfügbaren Eingangsbereich für den Gleichtakt und die Ausgangsschwingung.

Für Single-Supply-Anwendungen ermöglicht der Referenzpin die Verlagerung des Ausgangs auf den mittleren Versorgungsbereich, wodurch die verfügbare Ausgangsschwingung maximiert wird. Eine richtige Entkopplung der Stromversorgung mit Keramikkondensatoren, die in der Nähe der Versorgungspins angeordnet sind, ist für optimales Rauschverhalten und Stabilität unerlässlich.

Input Common-Mode-Bereich

Eine Einschränkung des Drei-Op-Ampere-In-Ampere besteht darin, dass der Eingangsgleichtaktbereich begrenzt werden kann, wenn wir versuchen, eine sehr hohe Differenzverstärkung in der Eingangsstufe zu erreichen.

Der Eingangsgleichtaktbereich (ICMR) des klassischen Dreitakt-IA ist auf den Ausgangsspannungsbereich der internen Operationsverstärker beschränkt, so dass der Ausgangsspannungsbereich durch die Eingangsgleichtaktspannung eingeschränkt wird.

Resistor-Auswahl und Matching

Beim Bau von diskreten Instrumentenverstärkern oder bei der Einstellung der Verstärkung mit externen Widerständen wirkt sich die Widerstandsauswahl erheblich auf die Leistung aus. Die verwendeten Widerstände sollten hochpräzise (0,1 % Toleranz oder besser) sein, um die höchstmögliche CMRR zu erreichen. Metallfilmwiderstände mit niedrigen Temperaturkoeffizienten werden für Präzisionsanwendungen bevorzugt.

Um die Vref-Verstärkung auf 1 V/V zu setzen und eine Verschlechterung der CMRR des Instrumentenverstärkers zu vermeiden, müssen die Verhältnisse von R4/R3 und R2/R1 gleich sein. In der Ausgangsdifferenzverstärkerstufe ist die Anpassung des Widerstandsverhältnisses entscheidend für die Aufrechterhaltung einer hohen CMRR. Selbst kleine Fehlanpassungen können die Gleichtakt-Abweisungsleistung erheblich beeinträchtigen.

Für kritische Anwendungen sollten Widerstände mit abgestimmten Temperaturkoeffizienten verwendet werden, um die Verstärkungsdrift über die Temperatur zu minimieren. Einige Designer verwenden Widerstandsnetzwerke, bei denen mehrere Widerstände auf dem gleichen Substrat hergestellt werden, was eine ausgezeichnete Anpassung und thermische Nachführung gewährleistet.

PCB Layout Best Practices

Die richtige Anordnung der Leiterplatten ist entscheidend, um das volle Leistungspotenzial von Instrumentenverstärkern zu erreichen: Die differentiellen Eingangsbahnen sollten symmetrisch geführt und so kurz wie möglich gehalten werden, um parasitäre Kapazitäts- und Induktivitätsunterschiede zu minimieren, die CMRR bei höheren Frequenzen verschlechtern könnten.

Schutzspuren: Minimierung von Leckströmen in hochohmigen Stromkreisen; Schutzringe oder Schutzbahnen, die auf demselben Potential wie die Eingangssignale betrieben werden, können Leckströme reduzieren und die Leistung in hochohmigen Anwendungen verbessern. Diese Schutzvorrichtungen sollten die hochohmigen Eingangsbahnen umgeben und von einer niederohmigen Quelle auf dem entsprechenden Potential angetrieben werden.

Die Grundebenengestaltung erfordert sorgfältige Aufmerksamkeit. Eine feste Grundebene bietet niederohmige Rückwege und reduziert die Rauschkopplung. Die Grundebene sollte sich jedoch nicht unter hochohmigen Eingangsbahnen erstrecken, wo sie unerwünschte Kapazitäten einbringen könnte. Getrennte analoge und digitale Grundebenen, die an einem einzigen Punkt verbunden sind, helfen zu verhindern, dass digitales Rauschen in empfindliche analoge Schaltungen einkoppelt.

Abschirmung und Lärmreduzierung

Aktive Abschirmung: Verringerung der kapazitiven Kopplung in lauten Umgebungen. Bei Anwendungen mit langen Kabelläufen oder Betrieb in elektrisch lauten Umgebungen ist eine ordnungsgemäße Abschirmung unerlässlich. Verdrillte Kabel mit Abschirmungen, die mit dem entsprechenden Bezugspotential verbunden sind, helfen, Gleichtaktstörungen zu vermeiden.

Das bedeutet, daß bei Verwendung eines verdrillten Drahtpaares, das dazu dient, einen Wandler mit den Differenzeingängen des Verstärkers zu verbinden, jedes induzierte Rauschen jeden Draht gleichermaßen verschmutzt und durch die Gleichtakt-Abstoßungsfähigkeit des Verstärkers verworfen wird.

Bei Anwendungen, die eine maximale Störfestigkeit erfordern, können angetriebene Abschirmungen oder Schutzabschirmungen verwendet werden. Bei dieser Technik wird der Kabelschirm mit einem Signal betrieben, das der Gleichtaktspannung entspricht, anstatt mit Masse verbunden zu sein. Dies minimiert den Stromfluss durch die Abschirmkapazität, wodurch die Gleichtakt- in Differenztakt-Wandlung reduziert wird, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen könnte.

Vorgabe der aktuellen Ausgleichszahlung

Die Bereitstellung eines Gleichstromrückführungspfades für Eingangsvorspannungsströme ist insbesondere bei Wechselstromgekoppelten Anwendungen oder bei der Verbindung mit hochohmigen Quellen von wesentlicher Bedeutung, da die Eingangsvorspannungsströme bei den Messverstärkern typischerweise sehr gering sind.

Bei Wechselstromeingängen ist der erforderliche Gleichstrompfad durch Widerstände gegen Masse oder eine Referenzspannung gegeben. Die Widerstandswerte sollten so gewählt werden, dass die Bias-Stromwirkungen an beiden Eingängen ausgeglichen werden, während sie groß genug sind, um die Signalquelle nicht wesentlich zu belasten. Einige Instrumentenverstärker weisen interne Bias-Stromrückführungspfade auf, was das Design der externen Schaltung vereinfacht.

Fortgeschrittene Themen und Optimierungstechniken

Bandbreite und Frequenzantwort

Die Bandbreite eines Instrumentenverstärkers wird sowohl von der Eingangs- als auch von der Ausgangsstufe bestimmt. Der dominante Pol wird typischerweise von der Eingangsstufe mit einer Frequenz von -3 dB eingestellt, die gegeben ist durch: GBW ist das Verstärkungsbandbreitenprodukt der Eingangsstufen-Op-Amplitudenverstärker und G ist die Gesamtverstärkung. Das Verständnis der Beziehung zwischen Verstärkung und Bandbreite ist für Anwendungen, die spezifische Frequenzgangeigenschaften erfordern, von entscheidender Bedeutung.

Bei zunehmender Verstärkung sinkt die Bandbreite typischerweise aufgrund der Verstärkungsbandbreiten-Produktbegrenzung der im Instrumentenverstärker verwendeten Operationsverstärker, wobei bei Breitbandanwendungen die Auswahl eines Instrumentenverstärkers mit hohem Verstärkungsbandbreiten-Produkt oder die Verteilung der Verstärkung zwischen dem Instrumentenverstärker und den nachfolgenden Stufen erforderlich sein kann.

Während sie eine hohe CMRR bei DC (durch enge Abstimmung der On-Chip-Widerstände) liefert, kann die Rückkopplungsarchitektur die AC-CMRR erheblich verschlechtern. Da parasitäre Kapazitäten nicht genau angepasst werden können, beginnt die CMRR bei höheren Frequenzen zu reduzieren. Diese frequenzabhängige CMRR-Degradation muss bei Anwendungen mit AC-Signalen oder hochfrequentem Rauschen berücksichtigt werden.

Überlastschutz

Der Schutz der Eingänge von Instrumentenverstärkern vor Überspannungen ist in vielen Anwendungen wichtig, insbesondere bei der Verbindung mit Sensoren, die möglicherweise Fehler aufweisen, oder beim Betrieb in rauen industriellen Umgebungen.

Die Vorwiderstände in Kombination mit Klemmdioden für die Versorgungsschienen bieten einen grundlegenden Überspannungsschutz, jedoch führen die Vorwiderstände Rauschen ein und können Offsetfehler aufgrund von Bias-Stromfluss erzeugen. Das Schutzschema muss die Notwendigkeit eines Eingangsschutzes gegen die mögliche Verschlechterung der Eingangsimpedanz, des Rauschverhaltens und der Offsetspannung abwägen.

Einige Instrumentenverstärker enthalten interne Eingangsschutzschaltungen, die das externe Design vereinfachen.

Referenzspannungskonfiguration

Die meisten Instrumentierungsverstärker weisen einen Referenzspannungseingang auf, der die Ausgangsspannung bei Null einstellt, der Flexibilität bei Pegelverschiebung bietet und eine optimale Positionierung des Ausgangs innerhalb des verfügbaren Ausgangsbereichs ermöglicht.

Die Referenzeingangsimpedanz variiert je nach Instrumentenverstärkerbauart. Einige Geräte weisen eine hohe Impedanz am Referenzeingang auf, so dass sie durch einen einfachen Widerstandsteiler angesteuert werden kann. Andere erfordern eine niederohmige Referenzquelle, die einen Pufferverstärker oder eine Präzisionsspannungsreferenz erfordert. Das Datenblatt sollte herangezogen werden, um die geeignete Referenzquelle für ein bestimmtes Gerät zu bestimmen.

Bei Einspeiseanwendungen wird die Referenzspannung typischerweise auf die Mitte des Versorgungsnetzes eingestellt, um den verfügbaren Ausgangshub für bipolare Signale zu maximieren Bei Zweispeiseanwendungen wird die Referenz häufig mit Masse verbunden, was zu einem bipolaren Ausgang führt, der auf Null Volt zentriert ist.

Kalibrierung und Trimmen

Selbst bei Präzisionsinstrumentierungsverstärkern können einige Anwendungen eine Kalibrierung erfordern, um maximale Genauigkeit zu erreichen. Offsetspannung, Verstärkungsfehler und CMRR können alle getrimmt werden, um die Leistung über die ursprünglichen Spezifikationen des Geräts hinaus zu verbessern.

Das Offset-Trimmen kann durch Einspeisen einer kleinen Korrekturspannung am Referenzeingang oder durch Einstellen der Waage der Eingangsstufe erfolgen. Beim Gain-Trimmen wird üblicherweise der Verstärkungs-Stellwiderstand eingestellt oder ein kleiner Trimmwiderstand in Reihe oder parallel dazu hinzugefügt. Beim CMRR-Trimmen werden üblicherweise die Widerstandsverhältnisse in der Ausgangsdifferenzverstärkerstufe eingestellt.

Moderne Systeme verwenden häufig digitale Kalibriertechniken, bei denen Offset- und Verstärkungsfehler gemessen und in Software nach Analog-Digital-Wandlung korrigiert werden. Dieser Ansatz eliminiert die Notwendigkeit eines manuellen Trimmens und kann temperaturbedingte Schwankungen durch periodische Rekalibrierung kompensieren.

Temperaturbetrachtungen

Temperaturschwankungen beeinflussen die Leistung von Instrumentenverstärkern durch verschiedene Mechanismen. Offsetspannungsdrift, Verstärkungsdrift und CMRR-Abbau variieren alle mit der Temperatur. Das Verständnis dieser Temperaturabhängigkeiten ist für Anwendungen, die in weiten Temperaturbereichen arbeiten, von entscheidender Bedeutung.

Die Offsetspannungsdrift, die typischerweise in Mikrovolt pro Grad Celsius angegeben ist, bewirkt, dass sich die Ausgangsspannung bei Temperaturänderungen auch bei konstantem Eingang verschiebt, was durch die Auswahl von Instrumentenverstärkern mit niedrigen Temperaturkoeffizienten und gegebenenfalls durch die Implementierung von Temperaturkompensationstechniken minimiert werden kann.

Die Verwendung von Widerständen mit angepassten Temperaturkoeffizienten und die Auswahl von Instrumentenverstärkern mit niedrigen Verstärkungsdriftspezifikationen tragen dazu bei, diesen Effekt zu minimieren. Für kritische Anwendungen können Temperatursensoren und Softwarekompensation temperaturbedingte Fehler weiter reduzieren.

Problembehandlung bei gemeinsamen Problemen

Unerwartete Offsetspannung

Eine übermäßige Offsetspannung am Ausgang, wenn Eingänge zusammen kurzgeschlossen sind, kann aus mehreren Ursachen resultieren. Eingangsvorspannungen, die durch Quellenimpedanzungleichgewichte fließen, erzeugen Offsetspannungen.

Thermoelektrische Spannungen, die an unterschiedlichen Metallübergängen im Signalweg erzeugt werden, können auch zu Offsetfehlern beitragen, insbesondere bei niedrigen Messwerten, wobei die Verwendung isothermer Anschlussblöcke, die Minimierung der Anzahl verschiedener Metalle im Signalweg und die Gewährleistung eines thermischen Gleichgewichts dazu beitragen, thermoelektrische Effekte zu reduzieren.

Masseschleifen, bei denen mehrere Masseverbindungen zirkulierende Ströme erzeugen, können Offsetspannungen und Rauschen einleiten.

Oszillation und Instabilität

Die Verwendung eines kleinen Serienwiderstandes (typischerweise 50-100 Ohm) zwischen Verstärkerausgang und kapazitiven Lasten trägt dazu bei, die Stabilität aufrechtzuerhalten, indem die Ausgangsstufe von der kapazitiven Last getrennt wird.

Eine unzureichende Entkopplung der Stromversorgung kann hochfrequente Schwingungen ermöglichen. Die Platzierung von Keramikkondensatoren (normalerweise 0,1 μF) so nah wie möglich an den Stromversorgungspins sorgt für die notwendige Hochfrequenzüberbrückung. Zusätzliche Massenkapazität (10-100 μF) weiter vom Gerät entfernt ermöglicht die Variation der niedrigerfrequenten Versorgung.

Rückkopplung durch parasitäre Kapazität oder Induktivität im Leiterplattenlayout kann zu Instabilität führen. Ein sorgfältiges Layout mit kurzen, direkten Spuren und einer ordnungsgemäßen Erdung minimiert diese parasitären Effekte. Hochohmige Eingangsspuren vom Ausgang fernzuhalten und die Symmetrie in den differentiellen Eingangspfaden zu erhalten hilft, unerwünschte Rückkopplungen zu verhindern.

Schlechte CMRR-Leistung

Wenn die gemessene CMRR die Datenblattspezifikationen nicht erfüllt, können mehrere Faktoren verantwortlich sein. Die Fehlanpassung des Widerstands in der Ausgangsdifferenzverstärkerstufe ist eine Hauptursache für die CMRR-Degradation. Die Überprüfung, ob die Widerstandsverhältnisse genau angepasst sind, und die Verwendung von Präzisionswiderständen mit engen Toleranzen behebt dieses Problem.

Unsymmetrische Quellenwiderstände können CMRR verschlechtern, indem Gleichtaktsignale in Differenzsignale umgewandelt werden.

Bei höheren Frequenzen können parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten im Signalweg zu CMRR-Degradation führen, wobei symmetrische Routing-Verfahren von differentiellen Eingangsbahnen, Minimierung von Leiterbahnlängen und Vermeidung von Kapazitätsungleichgewichten dazu beitragen, CMRR bei höheren Frequenzen aufrechtzuerhalten.

Übermäßiges Geräusch

Wenn das Ausgangsrauschen die Erwartungen übertrifft, ist die Identifizierung der Rauschquelle der erste Schritt in Richtung Auflösung. Das vom Instrumentenverstärker selbst eingegebene Rauschen stellt einen grundlegenden Rauschgrund dar. Die Auswahl von Geräten mit niedrigeren Rauschspezifikationen oder die Verringerung der Bandbreite durch Filterung können das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern.

Das Widerstandsrauschen, insbesondere von hochwertig ausgebildeten Widerständen im Signalweg, trägt zum Gesamtsystemrauschen bei, wobei die Verwendung von möglichst niedrigen Widerstandswerten oder die Wahl von rauscharmen Widerstandstypen diesen Beitrag verringert. Der Verstärkungs-Einstellwiderstandswert beeinflusst das Rauschverhalten, wobei niedrigere Werte im Allgemeinen weniger Rauschen erzeugen.

Die Durchführung einer ordnungsgemäßen Abschirmung, die Verwendung von Kabeln mit verdrilltem Paar für Differenzsignale und die Gewährleistung sauberer, niederohmiger Erdungsverbindungen reduzieren die externe Geräuschaufnahme erheblich.

Praktische Umsetzungsbeispiele

Dehnungsmessbrückenverstärker

Ein Dehnungsmessstreifen-Brückenverstärker zeigt eine klassische Anwendung für Instrumentenverstärker. Die Wheatstone-Brückenkonfiguration erzeugt eine kleine Differenzspannung proportional zur Dehnung, typischerweise einige Millivolt im vollen Maßstab, und die Brücke arbeitet mit einer erhöhten Gleichtaktspannung, typischerweise der halben Erregerspannung.

Der Instrumentenverstärker muss eine ausreichende Verstärkung liefern, um den Brückenausgang so zu verstärken, dass er dem ADC-Eingangsbereich entspricht, während gleichzeitig eine hohe Eingangsimpedanz beibehalten wird, um eine Belastung der Brücke zu vermeiden. Ein Verstärkungsfaktor von 100-1000 ist typisch für Dehnmessstreifenanwendungen. Der Referenzeingang kann verwendet werden, um den Ausgang zu kompensieren, um das Brückenungleichgewicht zu berücksichtigen oder um den Ausgang optimal innerhalb des ADC-Bereichs zu positionieren.

Bei der Tiefpassfilterung am Ausgang des Instrumentenverstärkers werden hochfrequente Störsignale vor der Digitalisierung entfernt. Die Filtergrenzfrequenz sollte entsprechend den Bandbreitenanforderungen der Messung bei ausreichender Störunterdrückung gewählt werden. Bei statischen oder langsam variierenden Messungen sind Grenzfrequenzen von 10-100 Hz üblich.

EKG-Front-End-Design

Elektrokardiogramm (EKG) -Aufnahme stellt einzigartige Herausforderungen dar, die Instrumentierungsverstärker gut geeignet sind, um anzugehen. EKG-Signale reichen von etwa 0,5 bis 4 mV in der Amplitude und enthalten Frequenzkomponenten von 0,05 bis 150 Hz. Diese kleinen Signale müssen bei viel größeren Gleichtaktstörungen von Stromleitungen und anderen Quellen gemessen werden.

Der Instrumentenverstärker liefert die hohe CMRR, die erforderlich ist, um Gleichtaktstörungen zu vermeiden und gleichzeitig das differentielle EKG-Signal zu verstärken. Ein Gewinn von 500-1000 bringt das EKG-Signal auf einen für die Analog-Digital-Wandlung geeigneten Pegel. Eine hohe Eingangsimpedanz minimiert die Belastung der Elektroden-Haut-Grenzfläche, die Impedanzen von wenigen Kilohm bis zu mehreren Megohm haben kann.

Ein Eingangsschutz ist in medizinischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, um sowohl den Patienten als auch die Elektronik zu schützen. Serienwiderstände und Klemmdioden begrenzen Strom und Spannung bei Fehlerzuständen oder Defibrillationsereignissen. Eine Rechtsschenkel-Ansteuerschaltung, die Gleichtaktstörungen aktiv ausschaltet, verbessert die Geräuschunterdrückung in EKG-Anwendungen weiter.

Thermoelement-Messsystem

Thermoelement-Messsysteme erfordern ein sorgfältiges Design, um genaue Temperaturmessungen zu erzielen. Thermoelemente erzeugen je nach Thermoelementtyp etwa 40-60 Mikrovolt pro Grad Celsius. Diese kleinen Signale erfordern eine hohe Verstärkung und ein geringes Rauschen für eine genaue Messung.

Der Instrumentenverstärker liefert die notwendige Verstärkung bei gleichzeitig hoher Eingangsimpedanz, um Fehler aus dem Thermodrahtwiderstand zu minimieren. Ein Gewinn von 100-500 ist typisch, wodurch das Thermoelementsignal auf einen für die Digitalisierung geeigneten Pegel gebracht wird.

Die Kompensation des Kaltübergangs berücksichtigt die Temperatur an der Stelle, an der die Thermoelementdrähte an das Messsystem angeschlossen sind. Dies kann mit einem Präzisionstemperatursensor und einer geeigneten Signalkonditionierung realisiert werden. Einige moderne Instrumentierungsverstärker-ICs enthalten eine integrierte Kompensation des Kaltübergangs, was das Gesamtdesign vereinfacht.

Aktuelle Sensing-Anwendung

Eine weitere gemeinsame Anwendung für die Instrumentenverstärker ist die Strommessung mit einem Shunt-Widerstand, bei der ein kleiner Widerstand in Reihe mit der Last eine stromproportionale Spannung entwickelt, die typischerweise im Millivolt-Bereich verstärkt werden muss, während die am Shunt eventuell vorhandene Gleichtaktspannung verworfen wird.

Die hohe CMRR des Instrumentenverstärkers ermöglicht eine genaue Strommessung auch dann, wenn der Shunt-Widerstand nicht auf Massepotential liegt. Dies ermöglicht eine High-Side-Strommessung, bei der der Shunt zwischen der Stromversorgung und der Last platziert ist. Die Gleichtaktspannung kann in dieser Konfiguration ziemlich hoch sein und sich der Versorgungsspannung annähern.

Spezielle Stromsensorverstärker, die im Wesentlichen Instrumentenverstärker sind, die für diese Anwendung optimiert sind, bieten erweiterte Gleichtaktspannungsbereiche und andere auf die Strommessung zugeschnittene Funktionen, die die High-Side-Strommessung in Anwendungen wie Batterieüberwachung, Motorsteuerung und Energiemanagement vereinfachen.

Auswahlkriterien und Vergleich

Schlüsselparameter für die Auswahl

Die Auswahl des geeigneten Instrumentenverstärkers für eine bestimmte Anwendung erfordert die Auswertung mehrerer Parameter. Die CMRR-Anforderungen hängen vom Verhältnis von Gleichtakt- zu Differenztaktsignalen ab, die in der Anwendung erwartet werden. Anwendungen mit großen Gleichtaktspannungen relativ zum Differenzsignal erfordern höhere CMRR-Spezifikationen.

Die Anforderungen an die Eingangsimpedanz hängen von der Quellenimpedanz des zu messenden Sensors oder Signals ab. Hochohmige Quellen wie piezoelektrische Sensoren oder hochohmige Brücken erfordern Instrumentenverstärker mit sehr hoher Eingangsimpedanz, um Belastungseffekte und Messfehler zu vermeiden.

Die Störleistung wird bei Anwendungen mit niedrigem Pegel kritisch. Das Eingangsgeräusch des Instrumentenverstärkers sollte deutlich niedriger sein als das gemessene Signal, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Die Bandbreitenanforderungen bestimmen das Mindest-Gain-Bandbreitenprodukt, das insbesondere für Anwendungen mit Wechselstromsignalen oder schnellen Transienten erforderlich ist.

Versorgungsspannungsbeschränkungen können durch das Gesamtsystemdesign auferlegt werden. Batteriebetriebene Anwendungen erfordern häufig einen Niederspannungsbetrieb, während industrielle Anwendungen Standard-Vakuum-V-Versorgung verwenden können. Der erforderliche Eingangsgleichtaktbereich und die Ausgangsschwingung müssen innerhalb der verfügbaren Versorgungsspannung erreichbar sein.

Kosten vs. Performance Trade-offs

Geräte für allgemeine Zwecke bieten eine gute Leistung bei moderaten Kosten, die für viele industrielle und Messanwendungen geeignet sind. Diese bieten typischerweise CMRR von 80-100 dB, Eingangsimpedanzen von Hunderten von Megohms und Rauschpegel von 10-50 nV/√Hz.

Präzisionsinstrumentierungsverstärker liefern überlegene Spezifikationen zu höheren Kosten. Diese Geräte verfügen über eine CMRR von mehr als 120 dB, Eingangsimpedanzen im Teraohm-Bereich und Rauschpegel unter 10 nV/√Hz. Sie eignen sich für anspruchsvolle Anwendungen wie medizinische Instrumente, Präzisionswägungen und wissenschaftliche Messungen, bei denen maximale Genauigkeit erforderlich ist.

Für kostensensible Anwendungen mit weniger hohen Anforderungen ist es zwar wirtschaftlich, einen diskreten Instrumentierungsverstärker aus einzelnen Operationsverstärkern und Präzisionswiderständen zu bauen, doch erfordert dieser Ansatz eine sorgfältige Auswahl und Abstimmung der Komponenten, um eine akzeptable Leistung zu erzielen, und ist unter Umständen nicht kostengünstig, wenn man die Montage- und Testkosten berücksichtigt.

Integrierte vs. diskrete Implementierung

Monolithische IA-ICs sind leicht verfügbar und sind oft dem Aufbau eines einzelnen Operationsverstärkers vorzuziehen, da die internen Komponenten gut aufeinander abgestimmt sind. Diese IA können eine CMRR über 100 dB und eine Spannungsverstärkung bis zu 10.000 x haben. Die überlegene Komponentenanpassung, die in integrierten Schaltungen erreicht werden kann, führt zu einer besseren CMRR und einer stabileren Leistung im Vergleich zu diskreten Implementierungen.

Diskrete Implementierungen bieten Flexibilität bei der Anpassung von Leistungsmerkmalen und können erforderlich sein, wenn spezifische Anforderungen durch verfügbare integrierte Geräte nicht erfüllt werden können.

Für Prototyping- oder Low-Volume-Anwendungen ermöglichen diskrete Implementierungen das Experimentieren mit verschiedenen Konfigurationen und Komponentenwerten.Für Produktionsdesigns bieten integrierte Instrumentierungsverstärker typischerweise eine bessere Leistung, eine geringere Größe und geringere Gesamtkosten, wenn Montage und Tests in Betracht gezogen werden.

Digital Enhancement und Smart Amplifier

Moderne Instrumentierungsverstärker integrieren zunehmend digitale Funktionen, die die Funktionalität verbessern und das Systemdesign vereinfachen. Digital programmierbare Verstärkung ermöglicht die Softwaresteuerung der Verstärkung ohne externe Komponenten, was eine adaptive Signalkonditionierung und Mehrbereichsmessungen aus einem einzigen Hardwaredesign ermöglicht.

Integrierte Analog-Digital-Wandler kombinieren den Instrumentenverstärker und den ADC in einem einzigen Paket, wodurch die Anzahl der Komponenten reduziert und das Design vereinfacht wird. Diese integrierten Lösungen umfassen häufig digitale Filter-, Kalibrier- und Kommunikationsschnittstellen, wodurch vollständige Teilsysteme zur Signalaufbereitung entstehen.

Selbstkalibrierungsfunktionen ermöglichen es Instrumentenverstärkern, Offsets, Verstärkungsfehler und Drift ohne externe Eingriffe automatisch zu kompensieren, was die Genauigkeit verbessert und die Anforderungen an die Produktionsprüfungen reduziert, was insbesondere bei hochvolumigen Anwendungen von Bedeutung ist.

Low-Power und Energy-Harvesting Anwendungen

Die Verbreitung von drahtlosen Sensornetzwerken und Geräten des Internets der Dinge (IoT) treibt die Nachfrage nach Instrumentenverstärkern mit extrem niedrigem Stromverbrauch an. Moderne Geräte erzielen Ruheströme unter Mikroampere und behalten gleichzeitig eine gute Rauschleistung bei, was einen batteriebetriebenen Betrieb über Jahre oder sogar Jahrzehnte ermöglicht.

Energieernteanwendungen, bei denen die Energie aus Umgebungsquellen wie Vibrationen, Licht oder thermischen Gradienten gesäubert wird, erfordern Instrumentierungsverstärker, die mit sehr niedrigen Versorgungsspannungen und minimalem Strom arbeiten können.

Fortgeschrittene Architekturen

Es entstehen immer neue Instrumentenverstärkerarchitekturen, die die Grenzen herkömmlicher Konstruktionen berücksichtigen. Chopper-stabilisierte Instrumentenverstärker erreichen eine extrem niedrige Offsetspannung und Drift, indem sie das Eingangssignal modulieren, verstärken und dann den Ausgang demodulieren. Diese Technik eliminiert DC-Fehler praktisch und ermöglicht Präzisionsmessungen ohne periodische Kalibrierung.

Auto-Null-Verstärker verwenden Switched-Capacitor-Techniken, um Offset-Fehler kontinuierlich zu erfassen und zu löschen Diese Geräte kombinieren die Vorteile der Chopper-Stabilisierung mit einer größeren Bandbreite, die sich für Anwendungen eignet, die sowohl einen geringen Offset als auch eine schnelle Reaktion erfordern.

Strommessverstärker verarbeiten Signale als Ströme statt als Spannungen, was in bestimmten Anwendungen Vorteile bietet, da diese Geräte einen sehr breiten Dynamikbereich erreichen und möglicherweise weniger empfindlich auf Versorgungsspannungsschwankungen reagieren als herkömmliche Spannungsmoden-Designs.

Umfassende Nutzungsrichtlinien

Stromversorgungsdesign

Die richtige Stromversorgung ist von grundlegender Bedeutung, um eine optimale Leistung des Instrumentenverstärkers zu erreichen. Die Versorgungsspannungen müssen sauber und stabil sein, mit geringem Rauschen und minimaler Welligkeit. Linearregler bieten typischerweise eine sauberere Leistung als Schaltregler, obwohl moderne Schaltregler mit geeigneter Filterung auch eine akzeptable Leistung liefern können.

Die Entkopplungskondensatoren sollten so nah wie möglich an den Leistungssteckern der Instrumentenverstärker angebracht sein, da eine Kombination aus Keramikkondensatoren für Hochfrequenzüberbrückung (normalerweise 0,1 μF) und Elektrolyt- oder Tantalkondensatoren für die Speicherung von Massenenergie (10-100 μF) eine effektive Entkopplung über einen weiten Frequenzbereich ermöglicht.

Bei Dual-Supply-Anwendungen müssen sowohl positive als auch negative Versorgung gleichermaßen auf Entkopplung und Regulierung geachtet werden. Die Versorgungsspannungssymmetrie wirkt sich auf Offsetspannung und CMRR aus, so dass die Aufrechterhaltung ausgeglichener Versorgungsspannungen die Leistung verbessert. Einige Anwendungen profitieren von separaten analogen und digitalen Netzteilen, um zu verhindern, dass digitale Schaltgeräusche in empfindliche analoge Schaltungen eingekoppelt werden.

Erdungsstrategie

Die Erdungsstrategie hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Instrumentenverstärkern, insbesondere bei Systemen mit mehreren Leiterplatten oder Subsystemen. Die Single-Point-Erdung, bei der alle Erdungsverbindungen letztendlich an einem Ort miteinander verbunden sind, minimiert Erdschleifen und die damit verbundenen Stör- und Offsetfehler.

Die Sternerdung, eine Variante der Einpunkterdung, führt getrennte Erdungsbahnen von jedem Schaltungsteil zu einem zentralen Erdungspunkt. Dadurch wird verhindert, dass hohe Ströme in einem Abschnitt Spannungsabfälle in Erdungspfaden erzeugen, die mit empfindlichen Schaltungen geteilt werden. Der Instrumentenverstärker und die dazugehörigen Eingangsschaltungen sollten eigene Erdungsbahnen zum Sternpunkt haben.

Bei Mixed-Signal-Systemen, die sowohl analoge als auch digitale Schaltungen enthalten, wird durch die Trennung von analogen und digitalen Masseebenen und deren Verschaltung an einem einzigen Punkt verhindert, dass digitale Schaltströme durch analoge Massepfade fließen, wobei der Anschlusspunkt vorsichtig gewählt werden sollte, typischerweise in der Nähe der Stromversorgung oder am Analog-Digital-Wandler.

Konditionierung des Eingangssignals

Die Tiefpassfilterung am Eingang entfernt hochfrequentes Rauschen, das Alias in die Messbandbreite einfließen oder elektromagnetische Störungen verursachen könnte. Die Filtergrenzfrequenz sollte auf der Grundlage der Signalbandbreite ausgewählt werden, wobei eine ausreichende Dämpfung unerwünschter hochfrequenter Komponenten gewährleistet ist.

Bei wechselstromgekoppelten Anwendungen sperren Eingangskopplungskondensatoren Gleichstromkomponenten beim Durchleiten von Wechselstromsignalen. Die Werte des Koppelkondensators müssen groß genug sein, um ein ausreichendes niederfrequentes Verhalten bei Gleichstromsperrung aufrechtzuerhalten. Bei der Verwendung von Wechselstromkopplung müssen Vorspannungsstromrückführungspfade vorgesehen sein, typischerweise über Widerstände gegen Masse oder eine Referenzspannung.

Eine Filterung elektromagnetischer Störungen (EMI) kann in industriellen Umgebungen oder bei langen Kabelläufen erforderlich sein. Common-Mode-Drosseln, die Signale des Common-Mode-Modus beim Durchleiten von Differenzsignalen hochohmig machen, verringern effektiv die leitungsgebundene EMI. Ferritperlen auf Eingangsleitungen sorgen für zusätzliche Hochfrequenzfilterung.

Ausgabesignalverarbeitung

Die Ausgangssignalverarbeitung bedingt den Ausgang des Instrumentenverstärkers für nachfolgende Stufen wie Analog-Digital-Wandler oder Aufzeichnungsgeräte. Antialiasingfilter verhindern, daß hochfrequentes Rauschen während der Digitalisierung in die Meßbandbreite zurückfällt. Das Filter sollte eine Grenzfrequenz unterhalb der halben Abtastrate bei ausreichender Dämpfung im Sperrband haben.

Pufferverstärker können erforderlich sein, wenn lange Kabel oder niederohmige Lasten angesteuert werden. Während Instrumentenverstärker typischerweise eine niedrige Ausgangsimpedanz haben, verhindert das Hinzufügen eines Puffers Belastungseffekte, die zu Fehlern oder Instabilität führen könnten. Einheitspuffer mit einer Leistung von Schiene zu Schiene stellen sicher, dass der volle Leistungsbereich des Instrumentenverstärkers erhalten bleibt.

Bei Systemen mit Einzelversorgung, die mit bipolaren Signalen verbunden sind, kann die Pegelverschiebung am Ausgang erforderlich sein, um den Eingangsbereich der nachfolgenden Schaltungen anzupassen. Dies kann mit dem Referenzeingang des Instrumentenverstärkers oder durch externe Summierschaltungen erfolgen.

Test und Verifizierung

Durch gründliche Prüfungen wird überprüft, ob die Messverstärkerschaltung die Leistungsanforderungen erfüllt. Die Offset-Spannungsprüfung mit zusammengekürzten Eingängen zeigt Gleichstromfehler, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen können. Der gemessene Offset sollte mit den Spezifikationen verglichen werden, wobei die Beiträge des Messverstärkers, die Vorspannungen der Eingänge und die thermoelektrischen Effekte berücksichtigt werden.

Die Prüfung der Gain-Genauigkeit erfolgt mit einer bekannten differenziellen Eingangsspannung und misst den Ausgang, um die korrekte Verstärkung zu überprüfen. Zur Prüfung der Linearität sollten mehrere Eingangspegel im erwarteten Bereich geprüft werden. Der Gain-Fehler sollte innerhalb akzeptabler Grenzen über den gesamten Eingangsbereich und die Betriebstemperatur bleiben.

Die CMRR-Prüfung legt an beiden Eingängen eine Gleichtaktspannung an, während sie den Ausgang auf Gleichtaktsignaldurchbruch überwacht. Die Prüfung sollte bei Gleichtakt- und bei relevanten Wechselstromfrequenzen durchgeführt werden, da die CMRR typischerweise bei höheren Frequenzen abgebaut wird.

Die Geräuschprüfung charakterisiert den Grundrauschen des Systems und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Bei kurzgeschlossenen oder abgeschlossenen Eingängen in der erwarteten Quellenimpedanz wird das Ausgangsrauschen über die Signalbandbreite gemessen. Das gemessene Rauschen sollte mit Berechnungen übereinstimmen, die auf den Spezifikationen der Messverstärker und den externen Komponentenbeiträgen beruhen.

Ressourcen und weiteres Lernen

Für Ingenieure, die ihr Verständnis von Instrumentenverstärkern vertiefen möchten, stehen zahlreiche Ressourcen zur Verfügung. Anwendungshinweise des Herstellers enthalten detaillierte Konstruktionsleitlinien, bearbeitete Beispiele und Tipps zur Fehlerbehebung, die speziell für ihre Produkte gelten. Unternehmen wie Analog Devices, Texas Instruments und andere Halbleiterhersteller unterhalten umfangreiche Bibliotheken technischer Dokumentation.

Industriestandards und Referenztexte bieten eine umfassende Abdeckung der Theorie und Anwendungen von Instrumentenverstärkern. Professionelle Organisationen wie das IEEE veröffentlichen Artikel zu fortschrittlichen Instrumentenverstärkerarchitekturen und -anwendungen. Online-Communities und -Foren bieten Plattformen für die Diskussion praktischer Implementierungsherausforderungen und den Austausch von Designerfahrungen.

Simulationswerkzeuge ermöglichen virtuelles Prototyping und Leistungsüberprüfung vor der Hardwarekonstruktion. SPICE-basierte Simulatoren mit genauen Instrumentenverstärkermodellen ermöglichen es Konstrukteuren, die Schaltungsleistung zu bewerten, Komponentenwerte zu optimieren und mögliche Probleme zu identifizieren. Viele Hersteller bieten SPICE-Modelle für ihre Geräteverstärkerprodukte an.

Evaluation Boards und Entwicklungskits beschleunigen den Entwurfsprozess durch die Bereitstellung bewährter Referenzdesigns, die praktische Experimente mit verschiedenen Konfigurationen und Betriebsbedingungen ermöglichen und den Designern dabei helfen, praktische Überlegungen zu verstehen, die möglicherweise nicht allein aus Datenblättern ersichtlich sind.

Schlussfolgerung

Instrumentenverstärker sind wesentliche Bausteine moderner Mess- und Sensorsysteme. Ihre einzigartige Kombination aus hoher Eingangsimpedanz, ausgezeichneter Gleichtaktunterdrückung, geringem Rauschen und präziser Verstärkungssteuerung macht sie für Anwendungen unerlässlich, die eine genaue Verstärkung kleiner Differenzsignale bei großen Gleichtaktspannungen erfordern.

Das Verständnis der grundlegenden Prinzipien, der wichtigsten Spezifikationen und der praktischen Umsetzungsüberlegungen ermöglicht es Ingenieuren, Instrumentierungsverstärker in verschiedenen Anwendungen, von medizinischen Instrumenten bis hin zur industriellen Prozesssteuerung, effektiv einzusetzen. Die richtige Aufmerksamkeit auf das Design der Stromversorgung, Erdung, Abschirmung und Komponentenauswahl stellt sicher, dass das volle Leistungspotenzial dieser Präzisionsgeräte realisiert wird.

Mit fortschreitender Technologie entwickeln sich Instrumentenverstärker, um den aufkommenden Anforderungen an einen geringeren Stromverbrauch, eine höhere Integration und eine verbesserte Funktionalität gerecht zu werden. Ob es sich um die Implementierung einer einfachen Sensorschnittstelle oder eines hochentwickelten mehrkanaligen Datenerfassungssystems handelt, Instrumentenverstärker bieten die Präzisionssignalkonditionierung, die für genaue, zuverlässige Messungen in anspruchsvollen Umgebungen erforderlich ist.

Durch die Befolgung der Richtlinien und Best Practices, die in diesem umfassenden Leitfaden beschrieben werden, können Konstrukteure erfolgreich Instrumentierungsverstärkerschaltungen implementieren, die ihren spezifischen Anwendungsanforderungen entsprechen, während sie häufige Fallstricke vermeiden und eine optimale Leistung erzielen.