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Instrumentenverstärker Ein oder Instrumentierungsverstärker englisch instrumentation amplifier oder kurz InAmp ist eine

Instrumentenverstärker

Ein Instrumentenverstärker oder Instrumentierungsverstärker (englisch instrumentation amplifier oder kurz InAmp) ist eine besonders präzise Operationsverstärker-Schaltung mit sehr hochohmigen (typischerweise 109 bis 1012 Ω) Eingängen. Sie ist auch komplett als integrierter Schaltkreis mit fix eingebauten und werkseitig getrimmten Widerständen erhältlich.

Instrumentenverstärker zeichnen sich durch ein besonders hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (englisch common mode rejection ratio, CMRR) sowie geringe Eingangs-Offsetspannungen aus.

Funktion Bearbeiten

Der Verstärkungsfaktor mittels Gegenkopplung ist bei integrierten Instrumentenverstärkern – anders als bei gewöhnlichen Operationsverstärkern (OPV) – durch interne, getrimmte Widerstände in gewissen Bereichen vordefiniert. Bei manchen Typen kann die Verstärkung zusätzlich durch externe Widerstände in bestimmten Grenzen variiert werden. Der Instrumentenverstärker kann auch mittels einzelner Operationsverstärker diskret aufgebaut werden – das erfordert allerdings die Verwendung sehr genau aufeinander abgeglichener Widerstände mit guter thermischer Kopplung. Aufgrund dieser Schwierigkeiten werden Instrumentenverstärker meist in Form von integrierten Schaltungen eingesetzt.

Wegen der hohen Gleichtaktunterdrückung gegenüber eingekoppelten Streufeldern, wie zum Beispiel des Stromnetzes, werden Instrumentenverstärker in Messgeräten zur Aufzeichnung von EKG- und EEG-Ableitungen als Messverstärker eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz eignen sie sich auch zur Verstärkung von Spannungssignalen von hochohmigen Sensoren, die fast stromlos zu messen sind, wie beispielsweise bei einer pH-Elektrode oder Piezokeramik-Sensoren. Sie werden auch eingesetzt, wo eine geringe Offsetspannung der Eingänge erforderlich ist, beispielsweise als Messverstärker an Dehnungsmessstreifen oder bei Thermoelementen.

Schaltungsvarianten Bearbeiten

Drei OPVs Bearbeiten

Schaltung eines Instrumentenverstärkers mit 3 OPVs

Die bekanntere Instrumentenverstärker-Schaltung besteht aus drei Operationsverstärkern, wobei die ersten beiden als Verstärkerstufen arbeiten und der dritte als Subtrahierer geschaltet ist und die Gleichtaktunterdrückung realisiert.

Die Ausgangsspannung als Funktion der Eingangs-Spannungsdifferenz der Schaltung mit drei OPVs beträgt:

Die Gleichtaktunterdrückung hängt von der präzisen Übereinstimmung des Verhältnisses der beiden Widerstände und zueinander ab. Diese müssen daher sehr genau und besonders driftarm sein. In integrierten Schaltungen weisen sie naturgemäß eine ähnliche Drift auf, da sie thermisch gekoppelt sind und mit der gleichen Technologie gefertigt wurden – ein Vorteil der Integration. Die Widerstände in integrierten Instrumentenverstärker-Schaltungen werden werksseitig abgeglichen, was den gegenüber gewöhnlichen Operationsverstärkern höheren Preis verursacht. Zur Änderung der Verstärkung wird ausschließlich benutzt, dessen Anschlüsse daher oft von außen zugänglich sind.

Der naive Ansatz, also kurzgeschlossen und offen, besteht einfach aus einem Subtrahierer mit zwei vorgeschalteten Impedanzwandlern, um den Eingangswiderstand zu erhöhen. In diesem Aufbau arbeitet der Subtrahierer als Verstärker. Der Grund, warum diese Schaltung nicht verwendet wird, ist vor allem die schlechtere Gleichtaktunterdrückung.

Zwei OPVs Bearbeiten

Schaltung eines Instrumentenverstärkers mit 2 OPVs

Eine weitere Instrumentenverstärker-Schaltung besteht aus nur zwei Operationsverstärkern, wie in nebenstehender Abbildung skizziert. Funktionell ist sie gleich zu der Schaltung mit drei Operationsverstärkern, stellt allerdings höhere Ansprüche an die Offseteigenschaften der eingesetzten Operationsverstärker und ist bei der Gleichtaktunterdrückung in Praxis meist etwas schlechter. Der Vorteil ist der geringere Schaltungsaufwand.

Auch bei der Schaltung mit zwei Operationsverstärkern müssen die Widerstandspaare mit gleicher Bezeichnung möglichst gleiche Werte aufweisen. Bei dieser Instrumentenverstärkerschaltung führen Abweichungen dazu, dass sich die Gleichtaktunterdrückung verschlechtert.

Die Verstärkung wird auch in der Schaltung mit zwei OPVs mit nur einem Widerstand eingestellt. Die Ausgangsspannung ist bei abgeglichenen Widerständen gegeben als:

Bei allen Schaltungsvarianten muss zur Festlegung der Verstärkung nur ein Widerstandswert geändert werden, was einen besonderen Vorteil aller Instrumentenverstärker-Schaltungen darstellt.

Beispiele integrierter Instrumentierungsverstärker Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • Walter G. Jung (Editor): OP AMP Applications. Firmenschrift Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5 (Online).
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.
  • Analog Devices: A Designers Guide to Instrumentation Amplifiers.

Weblinks Bearbeiten

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Veröffentlichungsdatum:
Ein Instrumentenverstarker oder Instrumentierungsverstarker englisch instrumentation amplifier oder kurz InAmp ist eine besonders prazise Operationsverstarker Schaltung mit sehr hochohmigen typischerweise 109 bis 1012 W Eingangen Sie ist auch komplett als integrierter Schaltkreis mit fix eingebauten und werkseitig getrimmten Widerstanden erhaltlich Instrumentenverstarker zeichnen sich durch ein besonders hohes Gleichtaktunterdruckungsverhaltnis englisch common mode rejection ratio CMRR sowie geringe Eingangs Offsetspannungen aus Inhaltsverzeichnis 1 Funktion 2 Schaltungsvarianten 2 1 Drei OPVs 2 2 Zwei OPVs 3 Beispiele integrierter Instrumentierungsverstarker 4 Literatur 5 WeblinksFunktion BearbeitenDer Verstarkungsfaktor mittels Gegenkopplung ist bei integrierten Instrumentenverstarkern anders als bei gewohnlichen Operationsverstarkern OPV durch interne getrimmte Widerstande in gewissen Bereichen vordefiniert Bei manchen Typen kann die Verstarkung zusatzlich durch externe Widerstande in bestimmten Grenzen variiert werden Der Instrumentenverstarker kann auch mittels einzelner Operationsverstarker diskret aufgebaut werden das erfordert allerdings die Verwendung sehr genau aufeinander abgeglichener Widerstande mit guter thermischer Kopplung Aufgrund dieser Schwierigkeiten werden Instrumentenverstarker meist in Form von integrierten Schaltungen eingesetzt Wegen der hohen Gleichtaktunterdruckung gegenuber eingekoppelten Streufeldern wie zum Beispiel des Stromnetzes werden Instrumentenverstarker in Messgeraten zur Aufzeichnung von EKG und EEG Ableitungen als Messverstarker eingesetzt Aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz eignen sie sich auch zur Verstarkung von Spannungssignalen von hochohmigen Sensoren die fast stromlos zu messen sind wie beispielsweise bei einer pH Elektrode oder Piezokeramik Sensoren Sie werden auch eingesetzt wo eine geringe Offsetspannung der Eingange erforderlich ist beispielsweise als Messverstarker an Dehnungsmessstreifen oder bei Thermoelementen Schaltungsvarianten BearbeitenDrei OPVs Bearbeiten nbsp Schaltung eines Instrumentenverstarkers mit 3 OPVsDie bekanntere Instrumentenverstarker Schaltung besteht aus drei Operationsverstarkern wobei die ersten beiden als Verstarkerstufen arbeiten und der dritte als Subtrahierer geschaltet ist und die Gleichtaktunterdruckung realisiert Die Ausgangsspannung U a displaystyle U a nbsp als Funktion der Eingangs Spannungsdifferenz der Schaltung mit drei OPVs betragt U a 1 2 R R g a i n R 3 R 2 U 2 U 1 displaystyle U a left 1 frac 2R R mathrm gain right cdot frac R 3 R 2 cdot U 2 U 1 nbsp Die Gleichtaktunterdruckung hangt von der prazisen Ubereinstimmung des Verhaltnisses der beiden Widerstande R 3 displaystyle R 3 nbsp und R 2 displaystyle R 2 nbsp zueinander ab Diese mussen daher sehr genau und besonders driftarm sein In integrierten Schaltungen weisen sie naturgemass eine ahnliche Drift auf da sie thermisch gekoppelt sind und mit der gleichen Technologie gefertigt wurden ein Vorteil der Integration Die Widerstande in integrierten Instrumentenverstarker Schaltungen werden werksseitig abgeglichen was den gegenuber gewohnlichen Operationsverstarkern hoheren Preis verursacht Zur Anderung der Verstarkung wird ausschliesslich R g a i n displaystyle R mathrm gain nbsp benutzt dessen Anschlusse daher oft von aussen zuganglich sind Der naive Ansatz also R displaystyle R nbsp kurzgeschlossen und R g a i n displaystyle R mathrm gain nbsp offen besteht einfach aus einem Subtrahierer mit zwei vorgeschalteten Impedanzwandlern um den Eingangswiderstand zu erhohen In diesem Aufbau arbeitet der Subtrahierer als Verstarker Der Grund warum diese Schaltung nicht verwendet wird ist vor allem die schlechtere Gleichtaktunterdruckung Zwei OPVs Bearbeiten nbsp Schaltung eines Instrumentenverstarkers mit 2 OPVsEine weitere Instrumentenverstarker Schaltung besteht aus nur zwei Operationsverstarkern wie in nebenstehender Abbildung skizziert Funktionell ist sie gleich zu der Schaltung mit drei Operationsverstarkern stellt allerdings hohere Anspruche an die Offseteigenschaften der eingesetzten Operationsverstarker und ist bei der Gleichtaktunterdruckung in Praxis meist etwas schlechter Der Vorteil ist der geringere Schaltungsaufwand Auch bei der Schaltung mit zwei Operationsverstarkern mussen die Widerstandspaare mit gleicher Bezeichnung moglichst gleiche Werte aufweisen Bei dieser Instrumentenverstarkerschaltung fuhren Abweichungen dazu dass sich die Gleichtaktunterdruckung verschlechtert Die Verstarkung wird auch in der Schaltung mit zwei OPVs mit nur einem Widerstand R g a i n displaystyle R mathrm gain nbsp eingestellt Die Ausgangsspannung U a displaystyle U a nbsp ist bei abgeglichenen Widerstanden gegeben als U a 1 R 2 R 1 2 R 2 R g a i n U 2 U 1 displaystyle U a left 1 frac R 2 R 1 frac 2R 2 R mathrm gain right cdot U 2 U 1 nbsp Bei allen Schaltungsvarianten muss zur Festlegung der Verstarkung nur ein Widerstandswert R g a i n displaystyle R mathrm gain nbsp geandert werden was einen besonderen Vorteil aller Instrumentenverstarker Schaltungen darstellt Beispiele integrierter Instrumentierungsverstarker BearbeitenAD620 Datenblatt en pdf 417 kB AD624 Datenblatt en pdf 397 kB INA111 Datenblatt en pdf 769 kB INA114 Datenblatt en INA116 sehr hochohmig 3fA input bias Datenblatt en PDF 220 kB Literatur BearbeitenWalter G Jung Editor OP AMP Applications Firmenschrift Analog Devices 2002 ISBN 0 916550 26 5 Online Ulrich Tietze Christoph Schenk Halbleiter Schaltungstechnik Springer Berlin 2002 ISBN 3 540 42849 6 Analog Devices A Designers Guide to Instrumentation Amplifiers Weblinks BearbeitenAnalog Devices Instrumentenverstarker Top Five Instrumentation Amplifier Problems Echter Differenzverstarker I Anwendungsbeispiel Datenblatt OPA857 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Instrumentenverstarker amp oldid 230113120