Instrumentenverstärker Standardbaustein oder eigenes Design aus Standard-Operationsverstärkern?

Autor / Redakteur: Norbert Flossmann* / Kristin Rinortner

Instrumentenverstärker sind als kompletter Schaltkreis mit integrierten und getrimmten Widerständen erhältlich. Lohnt es sich „fertige“, also monolithisch integrierte Instrumentenverstärker einzusetzen oder kann man mit ein paar Operationsverstärkern und Widerstäden das gleiche Ergebnis erreichen?

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Instrumentenverstärker aus Standard-Operationsverstärkern

Basis von allen Operationsverstärkern ist der Differenzverstärker oder Subtrahierer. Schaltet man an die beiden Eingänge von einem Subtrahierer je einen OPV als Impedanzwandler, ist der Instrumentenverstärker im Prinzip fertig. Die beiden Impedanzwandler sorgen für den hohen Eingangswiderstand, der Subtrahierer für die Verstärkung und das Unterdrücken von Gleichtaktanteilen. Wird die erste Stufe nicht mehr als reiner Impedanzwandler, sondern mit Verstärkung genutzt, kann die Verstärkung der Subtrahiererstufe um den gleichen Faktor verringert werden, ohne die Gesamtverstärkung zu verändern. Dadurch wird die Gleichtaktunterdrückung verbessert (Bild 1).

Ein solchen Aufbau ist oft durch die passiven Komponenten limitiert. Die Genauigkeit der Widerstandsverhältnisse R2/R1 begrenzt selbst beim Einsatz von Widerständen mit einer von Toleranz 0,1% die Gleichtaktunterdrückung auf lediglich 60 dB. Durch einen Abgleich dieser Widerstände kann diese verbessert werden, das verursacht aber zusätzlichen Aufwand in der Fertigung einer Baugruppe.

Bildergalerie

Noch nicht berücksichtigt sind hier Faktoren wie z.B. die Drift der Widerstände über die Temperatur. Wobei die Temperaturdrift der Widerstände keine Rolle spielt, solange alle die gleiche Temperatur und einen identischen Temperaturkoeffizienten haben.

Instrumentenverstärker mit nur zwei Operationsverstärkern

Daneben gibt es noch eine weniger gebräuchliche Schaltungsvariante, die mit zwei Operationsverstärkern auskommt (Bild 2). Diese wird auch asymmetrischer Elektrometerverstärker genannt. Da diese Schaltung keine symmetrischen Signalpfade aufweist, sind parasitäre Bauteile, vor allem Kapazitäten, ebenfalls unsymmetrisch verteilt. Daraus ergibt sich ein unterschiedlicher Frequenzgang für die beiden Signalpfade, was nachteilige Auswirkungen auf den Frequenzgang der Gleichtaktunterdrückung hat.

Monolithisch integrierte Instrumentenverstärker

Bei auf einem Chip integrierten Instrumentenverstärkern sind die Widerstände als Polysilizium- oder Dünnfilmwiderstände auf dem Substrat integriert. Durch verschiedene Trimmverfahren können die Widerstandsverhältnisse sehr genau abgeglichen werden. „In Silizium“ realisierte Widerstände weisen zwar eine grundsätzlich hohe Temperaturdrift auf, da sie sich aber auf einem gemeinsamen Substrat befinden, ist ein sehr guter Gleichlauf der Drift gewährleistet. Somit bleibt der Abgleich der Widerstände über den Betriebstemperaturbereich weitestgehend gültig. Je nach geforderter Gesamtleistungsfähigkeit wird das auch unter kommerziellen Aspekten am besten geeignete Verfahren ausgewählt.

Wie bereits bei den Lösungen mit Standard-Operationsverstärkern angesprochen, ist die Symmetrie der beiden Signalpfade wichtig für eine hohe Gleichtaktunterdrückung. Soll diese über einen weiten Frequenzbereich hohe Werte aufweisen, gilt das verstärkt auch für alle parasitären Komponenten. Das lässt sich auf einem Chip oft einfacher realisieren als bei einem diskreten Schaltungsaufbau, gerade auch unter dem Aspekt, dass die Entwicklungszyklen stetig kürzer werden. Mit einem Schaltungsblock, der bereits komplett getestet ist verringert sich das Design-Risiko das zwangsläufig mit jeder Schaltungsentwicklung verbunden ist.

Instrumentenverstärker mit neuen Eigenschaften

Bereits 2004 wurde mit dem AD8555 ein Instrumentenverstärker vorgestellt, der dem Anwender eine digitale Schnittstelle zur Verfügung stellt. Über dieses Interface können Verstärkung und Offset eingestellt bzw. getrimmt werden. Realsiert im Standard-CMOS-Prozess mit einer Versorgungsspannung zwischen 2,7 und 5,5 V ist dieser Verstärker geeignet, um die Signale von Drucksensoren und Dehnmessstreifen in Brückenschaltung aufzubereiten.

Der maximale Eingangsoffset von 10 µV über den gesamten Betriebstemperaturbereich und eine Gleichtaktunterdrückung von 96 dB tragen den Anforderungen von solchen Applikationen Rechnung. Mit einer Verstärkung von 70 bis 1280 ist seine Anwendung aber auf derartige Applikationen begrenzt, man könnte ihn daher eher als ASSP (Application Specific Standard Product) denn als Instrumentenverstärker bezeichnen.

Mit dem neuen AD8250 (Bild 3) werden viele der genannten Eigenschaften jetzt auch für die klassische Industrieelektronik mit ihren höheren Versorgungsspannungen nutzbar. Realisiert im iCMOS-Prozess kann er mit einer Versorgungsspannung bis zu ±15 V betrieben werden und bietet Verstärkungen von 1, 2, 5 oder 10.

„Transparent Mode“ oder „Latched Mode“

Dazu gibt es zwei Möglichkeiten, den „Transparent Mode“ und den „Latched Mode“. Im Transparent Mode wird der WR-Eingang mit der negativen Versorgungsspannung verbunden und durch Anlegen von logisch 0 oder 1 an den Eingängen A1 und A0 eine Verstärkung ausgewählt. Eine Änderung des Logikpegels an A1 und/oder A0 hat durch Umschalten von lasergetrimmten Präzisionswiderständen eine sofortige Änderung der Verstärkung zur Folge. Als Bezugspunkt für die High-/Low-Pegel benötigt diese Familie im Gegensatz zu normalen Operationsverstärkern auch einen GND-Anschluss.

Werden z.B. im Zusammenhang mit einem Mikrocontroller mehrere AD8250 genutzt, können A0 und A1 als Bus genutzt werden. Mit einer fallenden Flanke an WR übernimmt der AD8250 die gewünschte Einstellung und speichert diese, solange die Versorgungsspannung anliegt oder ein neuer Wert eingestellt wird. Das erlaubt beispielsweise den Dynamikbereich von einem im Mikrocontroller vorhandenen Analog/Digital-Wandler ohne großen Aufwand zu erweitern.

Oft wurden Multiplexer verwendet, um die verstärkungsbestimmenden Bauteile im Rückkopplungszweig eines Verstärkers umzuschalten. War dazu eine bestimmte Bandbreite gefordert, musste dieses Netzwerk für jeden Verstärkungsfaktor einzeln kompensiert werden, was eine entsprechend hohe Anzahl an diskreten Bauteilen nach sich zog. Das ist beim AD8250 für jeden einzelnen Verstärkungsfaktor intern realisiert, Ergebnis ist eine 3-dB-Bandbreite von 10 MHz, bei Verstärkung von 10 immer noch 3 MHz. Die Gleichtaktunterdrückung beträgt je nach Verstärkung typisch 94 bis 106 dB, der Minimalwert bei 50 kHz 80 dB.

Um diese Werte auch in der Praxis zu erreichen, wurde als eine Konsequenz auch das Pinout optimiert. Die Eingänge IN+ und IN- liegen nun am Ende vom Gehäuse um den symmetrischen Aufbau sowohl intern als auch extern zu ermöglichen. Die nächsten Pins sind mit REF und DGND, also reinen DC-Signalen belegt, um hier möglichst wenig Störungen einzukoppeln.

Der AD8251 ist identisch zum AD8250 bis auf die Verstärkung, diese beträgt wahlweise 1, 2, 4 oder 8.

Beste Lösung für spezifische Anforderungen individuell wählen

Die Auswahl an Instrumentenverstärkern wird ständig erweitert, um für möglichst viele Aufgabenstellungen eine optimale Lösung zu bieten. Dennoch wird es nicht für alle Aufgaben den passenden monolithischen Instrumentenverstärker geben – sei es, dass der gesamte Verstärker nur 0,30 € kosten darf, dass nur eine Stromaufnahme von 10 µA möglich ist oder ein Ausgangsstrom von 500 mA gefordert ist. Der Schaltungsentwickler muss unter Berücksichtgung aller Anforderungen die beste Lösung auswählen. Das kann ein monolithischer Instrumentenverstärker sein, bei sehr spezifischen Anforderungen aber auch eine Lösung mit Standard-Operationsverstärkern oder eine Mischung aus beiden.

*Norbert Flossmann ist als Appliationsingenieur bei Analog Devices in München beschäftigt.Laut Wikipedia ist ein Instrumentenverstärker, Instrumentation Amplifier oder kurz InAmp eine „besonders präzise Operationsverstärkerschaltung mit sehr hochohmigen Eingängen und geringer Offsetspannung. Sie ist auch als komplett integrierter Schaltkreis mit fix eingebauten und werksseitig getrimmten Widerständen erhältlich. Sie zeichnen sich durch eine besonders hohe Gleichtaktunterdrückung und geringe Eingangs-Offsetspannungen aus.“

(ID:216881)