Instrumentierungsverstärker

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Ein Instrumentierungsverstärker oder Instrumentenverstärker^[1] (engl. instrumentation amplifier oder InAmp) ist eine besonders präzise Operationsverstärker-Schaltung mit sehr hochohmigen (typ. 1 GΩ) Eingängen und geringer Offsetspannung. Sie ist auch komplett als integrierter Schaltkreis mit fix eingebauten und werksseitig getrimmten Widerständen erhältlich.

Instrumentenverstärker zeichnen sich durch eine besonders hohe Gleichtaktunterdrückung (engl.: CMRR - common mode rejection ratio) sowie geringe Eingangs-Offsetspannungen aus.

Inhaltsverzeichnis 1 Funktion 2 Schaltungsvarianten 3 Beispiele integrierter Instrumentierungsverstärker 4 Literatur 5 Fußnote

[Bearbeiten] Funktion

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 durch externe Widerstände die Verstärkung in bestimmten Grenzen zusätzlich variiert werden. Weiters kann der Instrumentenverstärker auch mittels einzelner Operationsverstärker diskret aufgebaut werden - dies erfordert allerdings die Verwendung sehr genauer und aufeinander abgeglicher 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 z.B. des Stromnetzes, werden Instrumentenverstärker in Messgeräten zur Aufzeichnung von EKG- und EEG-Ableitungen als Messwertverstärker eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz eignen sie sich auch zur Verstärkung von Spannungssignalen von hochohmigen Sensoren welche fast stromlos zu messen sind. Wie beispielsweise bei einem pH-Meter oder Piezokeramik-Sensoren. Sie werden auch eingesetzt, wo eine geringe Offsetspannung der Eingänge erforderlich ist, beispielsweise als Messverstärker an Dehnungsmessstreifen oder bei Thermoelementen.

Aufgrund ihrer geringen Bandbreite sind Instrumentenverstärker allerdings nur bedingt bei höheren Frequenzen einsetzbar.

[Bearbeiten] Schaltungsvarianten

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

Die Verstärkung V der Eingangs-Spannungsdifferenz der Schaltung aus der ersten Abbildung mit drei OPVs beträgt:

Die Gleichtaktunterdrückung hängt von der präzisen Übereinstimmung des Verhältnisses der beiden R3 und R2 zueinander ab. Diese müssen daher sehr genau und besonders driftarm sein. In integrierten Schaltungen weisen sie naturgemäß die gleiche Drift auf, da sie thermisch beieinander liegen und mit der gleichen Technologie gefertigt wurden - ein Vorteil der Integration. Die Widerstände in Integrierten Instrumentenverstärker-Schaltkreisen werden werksseitig abgeglichen, was den gegenüber gewöhnlichen Operationsverstärkern höheren Preis verursacht. Zur Änderung der Verstärkung wird ausschließlich R_gain benutzt, dessen Anschlüsse daher oft von außen zugänglich sind.

Eine weitere mögliche Schaltung eines Instrumentenverstärkers besteht aus nur zwei Operationsverstärkern, wie in nebenstehender Abbildung skizziert. Funktioniell ist diese Schaltung gleich zu der Schaltung mit drei Operationsverstärkern, stellt allerdings höhere Ansprüche an die Offseteigenschaften der eingsetzten 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 R1', R1 und R2', R2 möglichst genau aufeinander abgestimmt und gleich sein. Im Idealfall soll R1 exakt den gleichen Wert wie R1' haben, und R2 gleich R2' sein, in Praxis ist dies nur in Näherung zu schaffen. Bei dieser Instrumentenverstärkerschaltung führen Abweichungen von dem Verhältnis R1/R2 und R1'/R2' dazu, dass die Gleichtaktunterdrückung sich verschlechtert.

Die Verstärkung V wird auch in der Schaltung mit zwei OPVs mit nur einem Widerstand R_gain (RG) eingestellt. Die Verstärkung ist bei abgeglichenen R1=R1' und R2=R2' gegeben als:

Bei allen Schaltungsvarianten muss nur ein Widerstandswert R_gain (RG) zur Festlegung der Verstärkung geändert werden, was ein besonderer Vorteil aller Instrumentenverstärker-Schaltungen darstellt.

[Bearbeiten] Beispiele integrierter Instrumentierungsverstärker

• AD620 (derzeit ca 10 €) Datenblatt (en)
• AD624 Datenblatt (en)(pdf)
• INA 114 Datenblatt (en)
• INA 116 (sehr hochohmig ~3fA input bias !)Datenblatt (en)

[Bearbeiten] Literatur

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

[Bearbeiten] Fußnote

1. ↑ Diese Bezeichnung ist missverständlich da sie auch für elektische Musikinstrumente verwendet wird, siehe Gitarrenverstärker.