Instrumentenverstärker Offsetprobleme bei Messbrücken gelöst

Instrumentenverstärker können von Sensoren erzeugte elektrische Signale aufbereiten und eignen sich somit für hochgenaue Messungen, z.B. für Messbrücken. Allerdings ist der Offset in solchen Anwendungen ein großes Problem. Durch eine indirekte Stromrückkopplung lässt sich dieses Problem lösen.

Von Gustavo Castro, Applikationsingenieur in der Precision Signal Conditioning Group, und Scott Hunt, Produkt-Applikationsingenieur in der Linear Products Group, beide bei Analog Devices.

Sensorsignale sind normalerweise sehr klein. Daher müssen Instrumentenverstärker oft mit hoher Verstärkung arbeiten. Auch kommt es vor, dass sich Sensorsignale auf hohen Gleichtaktspannungen befinden oder in einem DC-Offset eingebettet sind. Präzisions-Instrumentenverstärker können eine hohe Verstärkung bieten, die Differenz zwischen den beiden Eingangsspannungen selektiv verstärken und gemeinsame Pegel an beiden Eingängen unterdrücken.

Wheatstone-Brücken sind klassische Beispiele. Galvanische Zellen wie Biosensoren weisen eine ähnliche Charakteristik auf. Da das Ausgangssignal der Brücke differenziell ist, ist ein Instrumentenverstärker das bevorzugte Bauteil für hochgenaue Messungen. Idealerweise beträgt die Spannung am Brückenausgang ohne Last null. Doch dies trifft nur zu, wenn alle vier Widerstände exakt gleich groß sind. Man stelle sich eine Brücke mit vier Widerständen vor (Bild 1). Der differenzielle Offset (UOS) im ungünstigsten Fall lässt sich nach Gleichung (1) berechnen, wobei UEX die Brückenanregungsspannung und TOL die Widerstandstoleranz (in Prozent) sind.

(1) V subscript O S end subscript equals plus-or-minus V subscript E X end subscript times fraction numerator T O L over denominator 100 end fraction

Zum Beispiel kann bei einer Toleranz von 0,1% für jedes der einzelnen Elemente und bei einer Erregerspannung von 5 V der differenzielle Offset bis zu 5 mV betragen. Falls eine Verstärkung von 400 benötigt wird, um die gewünschte Brückenempfindlichkeit zu erreichen, wird der Offset am Verstärkerausgang ±2 V. Angenommen, der Verstärker arbeitet an der gleichen Versorgungsspannung und sein Ausgang weist Rail-to-Rail-Verhalten auf, könnten über 80% des Ausgangsspannungshubs vom Brückenoffset alleine verbraucht werden. Durch den Trend hin zu niedrigeren Versorgungsspannungen verschlimmert sich diese Problematik noch.

Die traditionelle, aus drei Operationsverstärkern bestehende Architektur (Bild 2) verfügt über eine differenzielle Verstärkungsstufe mit nachgeschaltetem Subtrahierer, der die Gleichtaktspannung entfernt. Die Verstärkung wird an der ersten Stufe ausgeführt, sodass der Offset mit dem gleichen Faktor verstärkt wird wie das interessierende Nutzsignal. Die einzige Möglichkeit, es zu entfernen, ist, die entgegengesetzte Spannung an den Referenzanschluss (REF) anzulegen. Die Haupteinschränkung dieser Methode ist, dass sich der Offset durch Einstellen der Spannung an REF nicht korrigieren lässt, wenn sich die erste Verstärkerstufe bereits in der Sättigung befindet. Zu den Konzepten, mit denen sich diese Einschränkung umgehen lässt, gehören

  • »Shunting« der Brücke mit einem externen Widerstand von Fall zu Fall: Dies ist unpraktikabel für eine automatisierte Produktion und ermöglicht keine Einstellungen nach dem Verlassen der Produktionsstätte.
  • Reduzieren der Verstärkung der ersten Stufe: Entfernen des Offsets durch Absenken der Spannung an REF und Erweiterung um einen zweiten Verstärkerschaltkreis zum Erreichen der gewünschten Verstärkung
  • Reduzieren der Verstärkung der ersten Stufe: Digitalisierung des Ausgangssignals mit einem A/D-Wandler mit hoher Auflösung und Entfernen des Offsets per Software.

Die beiden zuletzt genannten Optionen müssen auch Abweichungen vom ursprünglichen Offsetwert im ungünstigsten Fall berücksichtigen. Dies reduziert die maximale Verstärkung der ersten Stufe weiter. Diese Lösungen sind nicht ideal, da sie zusätzliche Energie benötigen. Außerdem beanspruchen sie mehr Platz auf der Leiterplatte und verursachen höhere Kosten, um die hohe Verstärkung der ersten Stufe zu erzielen. Eine solch hohe Verstärkung ist jedoch erforderlich, um eine hohe Gleichtaktspannung und geringes Rauschen zu erhalten. Darüber hinaus ist AC-Kopplung keine Option zum Messen von DC oder sich sehr langsam verändernden Signalen.