Informations- und Kommunikationstechnik

Instrumentenverstärker

Der Instrumentenverstärker funktioniert wie ein Differenz- oder Subtrahierverstärker. In der erweiterten und verbesserten Schaltung zeichnet er sich durch zwei gleichartige, hochohmige Eingangsimpedanzen aus. In der Schaltung links werden die beiden Eingangssignale über zwei vorgeschaltete Impedanzwandler oder Elektrometerverstärker einem einfachen Subtrahierverstärker zugeführt. Noch optimaler ist die rechte Schaltungsvariante. Sie hat am Eingang zwei gleich dimensionierte, nicht invertierende Eingangsverstärker. Die nachfolgende Ausgangsstufe ist ein symmetrisch dimensionierter Differenzverstärker.

Instrumentenverstärker

In der Schaltung links haben beide Eingangsstufen den Verstärkungsfaktor 1. Der folgende Differenzverstärker ist für die eine gewünschte Signalverstärkung dimensioniert. Soll sie bei gleichbleibend guter Gleichtaktunterdrückung einstellbar sein, müssen gleichzeitig zwei Widerstände variiert werden. Die mathematische Herleitung zur Berechnung der Ausgangsspannung kann auf der Seite zum Subtrahierverstärker nachgelesen werden. Ua = (R2 / R1) · (Ue2 − Ue1)

In der Schaltung rechts sind beide Eingangsstufen für die Signalverstärkung verantwortlich, die mit dem einen gemeinsamen Widerstand R2 bestimmbar ist. Im linearen Arbeitsbereich stellt sich jeder OPV so ein, dass seine Eingangsdifferenzspannung 0 Volt beträgt. Die Ausgangsstufe ist ein mit Widerständen symmetrisch dimensionierter Differenzverstärker und im Vergleich zur Schaltung links sind seine Eingänge invertiert.

Das folgende Bild soll die Herleitung der Berechnungsformel veranschaulichen. Die Eingangsspannung des oberen OPVs beträgt Ue1 = 1 V. Am unteren OPV liegen Ue2 = 0 V an. Das Bild rechts zeigt mit diesen Einstellungen beide OPV-Stufen für sich getrennt.

Eingangsstufen des Instrumentenverstärkers
Berechnung der Eingangsstufen

Alle Widerstandswerte sollen gleich sein. Die Ausgangsspannung des oberen OPVs errechnet sich mit der Gleichung für den nicht invertierenden OPV. Beim unteren OPV hat der nicht invertierende Eingang Massepotenzial und am Eingang liegt über R2 die Spannung des E- Eingangs des oberen OPVs an. Die endgültige Ausgangsspannung ist die Differenz beider Teilspannungen, die von der nicht dargestellten Folgestufe gebildet wird.

Normalerweise wird am unteren OPV die Eingangsspannung Ue2 ≠ 0 V sein. Beide OPV arbeiten dann als Differenzverstärker. Ihre Ausgangsspannungen lassen sich getrennt voneinander errechnen. Für den oberen OPV gesehen liegt am gemeinsamen Widerstand R2 die Spannung Ue2 zum invertierenden Eingang an. Der untere OPV sieht für seinen invertierenden Eingang die Spannung Ue1 am Widerstand R2. Die Ausgangsspannungen lassen sich mit den angegebenen Beziehungen berechnen.

Eingangsstufen als Differenzverstärker

Mit den beiden Ausgangsspannungen der Eingangsstufen erzeugt der dritte OPV als symmetrisch dimensionierter Differenzverstärker die endgültige Ausgangsspannung Ua des Instrumentenverstärkers. Durch ein Widerstandsverhältnis R4 / R3 ≠ 1 kann ein weiterer Verstärkungsfaktor eingestellt werden.

Ausgangsspannung des Instrumentenverstärkers

Instrumentenverstärker mit zusätzlicher Referenzspannung

Die Industrie bietet monolithische, vollintegrierte Instrumentenverstärker mit einer präzise abgeglichenen internen Widerstandsmatrix an. Das folgende Bild zeigt das Blockschaltbild des ICs mit den unbedingt notwendigen Pins. Zwischen den Pins RG liegt der einzige gemeinsame Widerstand zur Festlegung des Verstärkungsfaktors. In den Schaltungen weiter oben ist es der Widerstand R2. Herausgeführt ist der Massebezug des unteren Teilerwiderstands vom nicht invertierenden Eingang des Ausgangs-OPVs. Im Bild oben ist es der R4.

IC und Eingangsspannungsreferenzen

Liegen an den Eingängen +In und −In die auf 0 Volt Massepotenzial bezogenen Eingangsspannungen und ist der Referenzeingang ebenfalls auf 0 Volt Potenzial bezogen, so ist am Ausgang die verstärkte Differenzspannung messbar. Sind die Bezugspotenziale der Eingangsspannungen vom Referenzeingang unabhängig, kann mit einer variablen Referenzspannung ein Ausgangsspannungsabgleich durchgeführt werden. Zur oben hergeleiteten Gleichung für Ua ist der Wert der Referenzspannung zu addieren.

Berechnung der Ausgangsspannung mit Referenz

Mit einer unabhängigen Referenzierung kann gezeigt werden, dass die Ausgangsspannung des Instrumentenverstärkers nur von der Eingangsdifferenzspannung bestimmt wird. An die Stelle der 0 Volt Eingangsreferenz kann eine auf 0 Volt Massepotenzial bezogene positive oder negative Spannung gegeben werden. Variationen innerhalb der IC-Betriebsspannungen beeinflussen die Ausgangsspannung nicht. Die beiden referenzierten Eingangsspannungen bilden als Reihenschaltung gesehen die Ersatzspannungsquelle mit dem Wert der Differenzspannung, die vom +In-Eingang zum −In-Eingang gerichtet ist. Beispiele zeigen die Spannungsdiagramme oben im Bild.

IC mit unsymmetrischer Versorgungsspannung

Steht zum Betrieb des Instrumentenverstärkers nur eine positive Versorgungsspannung bereit, dann wird der Referenzeingang möglichst niederohmig auf den Wert der halben Betriebsspannung gelegt, die von einem hochohmigen Spannungsteiler kommt. Gleichzeitig sollten sich auch die beiden Eingangsspannungen auf diese Referenz beziehen, um die gute Gleichtaktunterdrückung nicht zu beeinflussen. Der Ausgang des Impedanzwandlers für die Referenzspannung ist meistens als Tiefpass dimensioniert.