Bild 4: Das Konzept der indirekten Strom-Rückkopplung.

Bild 4: Das Konzept der indirekten Strom-Rückkopplung. (Bild: Microchip)

| von Greg Davies

In der Vergangenheit kam es häufig zu einem Fehlgebrauch des Begriffs „Instrumentenverstärker“ (Instrumentation-Amplifier, INA). Dieser bezieht sich nämlich vielmehr auf die Anwendung als auf die Architektur des Bausteins. Mit dem Begriff INA sind also in erster Linie Operationsverstärker gemeint, da diese auf der gleichen Architektur beruhen – wobei INAs eine spezialisierte Version von Operationsverstärkern darstellen. Sie kommen zur Verstärkung von Sensorsignalen im µV-Bereich zum Einsatz, müssen aber zugleich in der Lage sein, hohe Gleichtaktsignale in der Größenordnung von einigen V blockieren zu können. Dies ist wichtig, weil manche Sensoren relativ kleine Spannungs- oder Stromänderungen erzeugen, die es genau zu erfassen gilt. INAs sind speziell für hohe differenzielle Verstärkung ausgelegt.

Anwendungsbeispiele für INAs

Beispielsweise nutzen Geräte in der Medizintechnik verschiedene Sensoren, um Laser-Schrittmotoren bei Sehkorrektur-Operationen in der Augenchirurgie auszurichten. Hierbei ist eine hohe Genauigkeit ist entscheidend, weswegen andere Geräte im Operationssaal die Sensorsignale nicht beeinträchtigen dürfen, da dies sonst zu unerwarteten Ergebnissen führen könnte. Aber auch bei Pressen in einem Karosseriewerk kommen INAs zum Einsatz. Hier bringen Pressen mehrere Zehntausend Newton Kraft auf, um Metall in Form zu biegen. Diese Maschinen nutzen Sensoren, die einen sofortigen Stopp veranlassen, sobald sie eine menschliche Hand erkennen. Dabei ist es entscheidend, dass elektrische Störungen aus anderen Fertigungsanlagen keine Interferenzen verursachen, die Fehlfunktionen erzeugen könnten.

In diesen beiden genannten Fällen erfolgt der erste Schritt bei der Verarbeitung des Sensorsignals in einem Instrumentenverstärker. Die schwachen Sensorsignale müssen unter allen Umgebungsbedingungen genau verstärkt werden. Speziell für die Ausführung dieser Aufgabe erfolgte die Konzipierung der Instrumentenverstärker: Schwache Signale genau zu verstärken, und dabei selbst in störungsbehafteten elektrischen Umgebungen eine hohe Verstärkungsgenauigkeit zu erzielen.

Leistungssteigerung

Eck-daten

Die Notwendigkeit zur Verstärkung schwacher Signale, insbesondere bei gleichzeitig auftretenden Störsignalen, gewinnt in Zukunft zunehmend an Bedeutung. INAs bieten dem Entwickler eine Möglichkeit zur Verstärkung von Sensorsignalen im µV-Bereich bei gleichzeitiger Unterdrückung der großen, in störungsbehafteten Umgebungen vorherrschenden Gleichtakt-Signale. Welche Konzepte hier Anwendung finden, zeigt der vorliegende Artikel.

Weitergehende Überlegungen beschäftigen sich damit, die Leistung der Instrumentenverstärker zu steigern. Ein niedriger Stromverbrauch ist hierbei ein wichtiger Aspekt, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern. Bei einer niedrigeren Betriebsspannung lässt sich die Batterie über einen größeren Teil ihrer Entladungskurve nutzen, was letztendlich die gewünschte längere Batterielebensdauer ermöglicht. Zudem ermöglich ein breiter Eingangsspannungsbereich Kompatibilität mit mehreren Sensoren. Außerdem trägt eine Impedanz-Anpassung am Eingang zu einer nahtlosen Sensor-Schnittstelle bei.

Weiterentwicklung von INA-Designs

Mit einer fast endlosen Anzahl an Konsum-, Medizin- und Industrieelektronik-Anwendungen, welche sich die Leistungsvorteile der INAs zu Nutze machen, haben sich die Designs im Laufe der Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Ein Blick auf die Evolution von INA-Designs von den ursprünglichen Konzepten bis hin zu modernen Instrumentenverstärkern soll dies verdeutlichen. Die in diesem Artikel durchgeführte Analyse dieser Architekturen sowie ihrer zugehörigen Stärken und Schwächen, zeigt die Leistungsverbesserungen heutiger Instrumentenverstärker im Zusammenspiel mit praktischen Anwendungen.

Bild 1: Darstellung der Sensor-Schnittstelle zum INA als Blockdiagramm

Bild 1: Darstellung der Sensor-Schnittstelle zum INA als Blockdiagramm. Microchip

Die Sensorausgänge sind mit den INA-Eingängen verbunden, welche die Differenzialspannung verstärken. Zahlreiche Quellen können Störsignale senden, unabhängig davon ob dies per Einstrahlung oder leitungsgebunden erfolgt. Typische Störquellen sind Schaltnetzteile oder Motoren und Wireless-Bausteine. Diese lassen sich jedoch durch Abschirmung und gute Leiterplatten-Layoutpraktiken verringern, wobei ein geringes Maß an Störungen sich nicht vermeiden lässt. Glücklicherweise treten die meisten dieser Störungen als phasensynchrone Gleichtaktspannung VCM auf, die der differenziellen Eingangssensorspannung VDM überlagert ist. Ein korrekt ausgelegter Instrumentenverstärker mit guter Gleichtakt-Unterdrückung (Common-Mode Rejection Ratio – CMRR) kann diese Spannung deutlich verringern und seine Gain-Genauigkeit bewahren. Eine Spezifizierung des CMRR-Mindestwert erfolgt meist bei Gleichstrom, während Leistungskurven das CMRR-Verhalten bei Wechselstrom dokumentieren.

Wie ein Konzept eines ICs mit drei Operationsverstärkern aussieht und funktioniert erfahren Sie auf der n ächsten Seite.

Diskreter Differenzverstärker

Bild 2: Graphische Darstellung eines diskreten Differenzverstärkers.

Bild 2: Graphische Darstellung eines diskreten Differenzverstärkers. Microchip

Um eine Spannungsdifferenz über einen Sensorausgang zu verstärken, lässt sich ein Differenzverstärker verwenden, jedoch hat dies auch einige Nachteile. In der in Bild 2 gezeigten Implementation wird VIN+ bei Anwendungen mit einer einzigen Versorgungsspannung auf VREF gezogen, typischerweise ½ der Versorgungsspannung. Der zur Verstärkung von Differenzspannungen ausgelegte Operationsverstärker selbst bietet eine gute CMRR, wird aber von der umgebenden Schaltung gestört. Eine Fehlanpassung bei den externen Widerständen, einschließlich der durch ein mit VREF verbundenes Spannungsteiler-Netzwerk eingeführten Fehlanpassung, schränkt die Fähigkeit des Operationsverstärkers zur Unterdrückung von Gleichtaktsignalen ein, was zu einer verringerten CMRR führt. Die Widerstandstoleranzen sind nicht eng genug, um die von einem INA erwartete CMRR zu gewährleisten. Die nachfolgenden Gleichungen zeigen, wie sehr sich eine Widerstands-Fehlanpassung auf die CMRR auswirkt.

Die Gleichung unten bezieht sich auf einen Differenzverstärker mit G = 1V/V, wobei TR die Widerstands-Toleranz beschreibt.

  • Bei TR = 1% beträgt die Gleichstrom-CMRRDIFF im schlimmsten Fall 34 dB.
  • Bei TR = 0,1% beträgt die Gleichstrom-CMRRDIFF im schlimmsten Fall 54 dB.

Dabei ist K die Netzwerk-Anpassungstoleranz von R1 /R2 zu R3 /R4. K kann im ungünstigsten Fall bis zu 4 TR betragen.

Grafik 1

Der INA verstärkt die am Eingang anliegende Differenzialspannung, und seine Verstärkungsleistung lässt sich mathematisch über folgende Gleichung berechnen:

VOUT = G x VDM

= (R1 /R2 ) x (VIN+ – VIN- ) + VREF

Problematisch dabei ist, dass die Differenzialspannung (VIN- und VIN+) überlagerte Störsignale enthält, und es als Folge einer schlechten CMRR zu einer Verstärkung aller nicht unterdrückten Gleichtaktspannungen kommt, was zu einem von Störspannungen beeinträchtigten Ausgangssignal führt.

Aber dieses Konzept hat noch andere Nachteile. Operationsverstärker besitzen meist eine hohe Eingangsimpedanz im Bereich von MΩ bis GΩ, die aber wegen des Rückkopplungspfades und der Spannungsreferenz nicht nur verringert, sondern auch unsymmetrisch wird. Das belastet den Sensor und vergrößert Ungenauigkeiten. Auch wenn diese Schaltung ein schwaches Sensorsignal verstärken kann, wäre ihre schlechte Gain-Genauigkeit angesichts der Störsignale für messtechnische Zwecke nicht nützlich.

Konzept eines INAs mit drei Operationsverstärkern

Bild 3: Konzept eines ICs mit drei Operationsverstärkern.

Bild 3: Konzept eines ICs mit drei Operationsverstärkern. Microchip

Bei diesem Entwurf handelt es sich um einen gängigen INA, der in einer einzigen integrierten Schaltung (IC) untergebracht ist. Die Schaltung ist in zwei Stufen aufgeteilt: Die Eingangsstufe besteht aus zwei invertierenden Puffer-Verstärkern, die Ausgangsstufe dagegen ist ein herkömmlicher Differenzverstärker (Bild 3). Alle in diesem Design genutzten internen Widerstände sind mit sehr engen Toleranzen aufeinander angepasst, wie dies nur in Halbleiterdesigns mit getrimmten Widerständen möglich ist. Dieses Design zeichnet sich durch eine höhere CMRR aus. Die Verstärker in der Eingangsstufe bieten darüber hinaus eine hohe Impedanz, mit der sich die Belastung der Sensoren minimieren lässt. Der Widerstand RG zur Gain-Einstellung erlaubt dem Entwickler die Wahl einer beliebigen Verstärkung innerhalb des Arbeitsbereichs des Bausteins (typisch 1V/V bis 1000V/V).

Bei der Ausgangsstufe handelt es sich um einen herkömmlichen Differenzverstärker. Das Verhältnis der internen Widerstände R2/R1 definiert die Verstärkung des internen Differenzverstärkers. Diese beträgt in der Regel G = 1 V/V für die meisten Instrumentenverstärker. Die symmetrischen Signalpfade von Ein- zu Ausgang gewährleisten eine sehr gute CMRR. Dieses Design lässt sich einfach implementieren, beansprucht wenig Platz auf der Leiterplatte, benötigt weniger Komponenten und ermöglicht damit geringere Systemkosten. Darüber hinaus ist das Design auch kompatibel mit Stromversorgungen aus nur einer einzigen Versorgungsspannung, die ein VREF-Pin nutzen.

Die technischen Grenzen dieses Konzepts sowie ein Konzept zur indirekten Strom-Rückkopplung finden Sie auf der nächsten Seite.

Technische Grenzen

Allerdings gilt es auch bei diesem Design Begrenzungen zu beachten. INAs aus drei Operationsverstärkern erzielen hohe CMRR-Werte bei Gleichstrom durch eine Anpassung der auf dem Chip integrierten Widerstände des Differenzverstärkers, aber die Architektur der Rückkopplungsschleife kann die CMRR bei Wechselspannungen erheblich beeinträchtigen. Darüber hinaus lassen sich parasitäre Kapazitäten nicht komplett aneinander anpassen, was zu Fehlanpassungen und einer verringerten CMRR in Abhängigkeit von der Frequenz führt. Um eine Sättigung interner Knoten zu vermeiden, ist der Gleichtaktspannungswert am Eingang begrenzt. Um optimale Leistung zu gewährleisten, benötigt das VREF-Pin einen Buffer-Verstärker. Die Temperaturkoeffizienten der externen und internen Gain-Widerstände sind außerdem nicht aneinander angepasst, was ebenfalls zu einer Verringerung der CMRR führt.

Konzept einer indirekten Strom-Rückkopplung

Bild 4: Das Konzept der indirekten Strom-Rückkopplung.

Bild 4: Das Konzept der indirekten Strom-Rückkopplung. Microchip

Ein INA mit indirekter Strom-Rückkopplung (Indirect Current Feedback – ICF) nutzt ein neuartiges Spannungs-zu-Strom-Wandlungskonzept (Bild 4). Es besteht aus zwei aufeinander abgestimmten Transkonduktanzverstärkern GM1 und GM2 sowie aus einem Transimpedanzverstärker mit hoher Verstärkung (A3). Das Design nutzt keine aufeinander abgestimmten Widerstände, sodass keine internen abgeglichenen Widerstände erforderlich sind, was die Fertigungskosten senkt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Entwickler die externen Widerstände nicht mit irgendwelchen, auf dem Chip integrierten Widerständen abstimmen müssen. Nur die Temperaturkoeffizienten der externen Widerstände RF und RG müssen sie so eng wie möglich aufeinander abstimmen, um einen minimalen Verstärkungs-Drift zu gewährleisten.

Da GM1 Gleichtakt-Signale unterdrückt, ist die Gleichstrom-CMRR hoch. Auch die Wechselstrom-CMRR nimmt mit steigender Frequenz nicht nennenswert ab. Der Eingangsspannungsbereich ist beim Konzept mit drei Operationsverstärkern eingeschränkt, um eine Sättigung der internen Knoten zu vermeiden. Bei ICF ist die Ausgangsspannung nicht mit der Gleichtakt-Spannung am Eingang gekoppelt. Dies ermöglicht einen zusätzlichen Betriebsbereich, der bei einer Architektur mit drei Operationsverstärkern nicht möglich wäre. Die zweite Stufe  mit GM2 und A3 verstärkt das Signal differenziell und blockiert zusätzlich Gleichtakt-Störungen an VFG und VREF. Ein Betrieb mit einer einzigen Versorgungsspannung ist nach wie vor möglich, indem man eine Vorspannung an VREF anlegt. Bild 5 zeigt eine Reihe typischer INA-Anwendungen. Die hier gezeigten Sensoren lassen sich mit einem INA präzise verstärken und an einen Wandler und Mikrocontroller weiterleiten.

Zusammenfassung

Bild 5: Beispiel einer typischen INA-Schaltung mit einem Sensor.

Bild 5: Beispiel einer typischen INA-Schaltung mit einem Sensor. Microchip

Die Notwendigkeit zur Verstärkung schwacher Signale, insbesondere bei gleichzeitig auftretenden Störsignalen, gewinnt in Zukunft mehr und mehr an Bedeutung. Diskrete Operationsverstärker gelten als einfachstes Konzept, um Signale zu verstärken, allerdings eignen sie sich nicht als Instrumentenverstärker. Das Konzept mit drei integrierten Operationsverstärkern bietet hingegen Vorteile wie eine hohe Gleichstrom-CMRR sowie symmetrische und hohe Eingangsimpedanzen mit einem Gain-Widerstand. Allerdings gibt es Einschränkungen bei der Gleichtaktspannung. Darüber hinaus ist es schwierig die Temperaturkoeffizienten der internen an die der externen Widerstände anzupassen, was zu einem Gain-Drift führen kann. Die Impedanz am Pin kann ebenfalls die CMRR beeinträchtigen, wenn kein Buffer zum Einsatz kommt. Das ICF-Konzept bietet ebenfalls eine hohe CMRR, einen breiteren Gleichtaktspannungsbereich und keine auf den Chip getrimmte Widerstände, was geringere Kosten und einen niedrigen, durch Temperaturkoeffizienten verursachten Gain-Drift ermöglicht. INAs bieten dem Entwickler einen Weg zur Verstärkung von Sensorsignalen im µV-Bereich bei gleichzeitiger Unterdrückung der starken, in störungsbehafteten Umgebungen vorherrschenden Gleichtakt-Signale.

Greg Davies

Leitender Product Marketing Manager im Unternehmensbereich Mixed Signal Linear bei Microchip Technology

(aok)

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