Instrumentenverstärker Messung des linearen Arbeitsbereichs

Exakte Ergebnisse mit einem Software Tool.
Exakte Ergebnisse mit einem Software Tool.

Der lineare Arbeitsbereich von Instrumentenverstärkern wird üblicherweise als Fläche in einem zweidimensionalen Diagramm dargestellt. Eine einfache Berechnung ermöglicht ein Software Tool anhand der Datenblattangaben. Doch wie exakt sind die Ergebnisse?

In den vergangenen zwei Jahren befassten sich viele Publikationen mit dem theoretischen linearen Arbeitsbereich von Instrumentenverstärkern (Elektrometer-Subtrahierer). Dabei wurden die in Bild 1 gezeigten drei wichtigsten Grundschaltungen für Instrumentenverstärker behandelt, nämlich die mit drei Operationsverstärkern [1–3], die mit zwei Operationsverstärkern [4] und schließlich die Variante mit zwei Operationsverstärkern und Verstärkerstufe [5].

In allen Publikationen werden die Knotengleichungen hergeleitet, die den linearen Arbeitsbereich definieren. Er wird in einem Diagramm dargestellt, in dem die Gleichtaktspannung (UGl) als Funktion der Ausgangsspannung (UA) dargestellt ist. Außer von der Art der Schaltung hängt dieses UGl-UA-Diagramm von der Versorgungsspannung (UB), der Verstärkung (v) und der Referenzspannung (URef) ab.

Bild 2 zeigt Beispiele für das Aussehen dieser Diagramme bei den verschiedenen Instrumentenverstärkerschaltungen.

Bilder: 4

UGl-UA-Diagramme, Bild 1-2

Drei Grundschaltungen für Instrumentenverstärker

Meist enthalten die Datenblätter der jeweiligen Instrumentenverstärker-ICs auch Diagramme für häufig verwendete Schaltungen. Allerdings können für den Einsatz solcher ICs in ein bestimmtes System andere Anforderungen gelten.

Angesichts der Komplexität des linearen Arbeitsbereichs und der begrenzten Auswahl an Diagrammen in den Datenblättern von Instrumentenverstärkern besteht ein Bedarf an einem einfach anwendbaren Software Tool, wie dem „Vcm vs. Vout Calculator“ (Bild 3). Damit können Entwickler – aufgeschlüsselt nach Schaltung, Versorgungsspannung, Verstärkung und Referenzspannung – UGl-UA-Diagramme für Instrumentenverstärker erstellen.

Zum besseren Verständnis des linearen Arbeitsbereichs von Instrumentenverstärkern wird nachfolgend die Korrelation zwischen theoretischen und gemessenen Ergebnissen betrachtet. Hierzu wurde der lineare Arbeitsbereich von Instrumentenverstärkern gemessen und mit den theoretischen Ergebnissen verglichen.