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.

Seite 1 von 3123