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Intersil: Überwachung der Sensorfunktion mit Instrumentenverstärkern

In vielen industriellen und medizintechnischen Anwendungen kommen Instrumentenverstärker (INA: Instrumentation Amplifiers) zum Einsatz, um Kleinsignale trotz großer Gleichtaktspannungen und DC-Potentiale gut aufbereiten zu können.

Bildquelle: © Intersil

Bild 1: Blockdiagramm 3-OPV-INAs mit Spannungsknoten

(Grafiken: Intersil)

Es gibt verschiedene Architekturen, um Instrumentenverstärker zu realisieren. Ein Instrumentenverstärker mit drei Operationsverstärkern (OPV: eine nichtinvertierende Verstärkerstufe und eine Subtrahierstufe) führt diese Funktion mit der Eingangsstufe aus. Er zeichnet sich durch eine hohe Eingangsimpedanz aus, während die Ausgangsstufe die Gleichtaktspannung herausfiltert und die Differenzspannung bereitstellt. Hohe Impedanz gekoppelt mit hoher Gleichtaktunterdrückung ist entscheidend für viele Sensor- und Biometrie-Anwendungen wie Durchflusssensoren, Temperatursensoren, Waagen, Elektrokardiogramme (EKG) und Blutzuckermessgeräte. Der folgende Beitrag beschreibt den 3-OPV-INA und untersucht die Vorteile von Zero-Drift-Verstärkern, RFI-Eingangsfiltern und programmierbaren Verstärkern (PGAs: Programmable Gain Amplifiers). Als Beispiel dient eine Anwendung zur Überwachung der Sensorfunktion.

Instrumentenverstärker mit drei Operationsverstärkern

INAs eignen sich sehr gut für die Aufbereitung von Kleinsignalen. Ihre hohe Eingangsimpedanz ergibt sich durch die nichtinvertierenden Eingänge der Eingangsstufe, ohne dafür Tricks bei der Rückkopplung anwenden zu müssen (Bild 1). Der 3-OPV-Schaltkreis unterdrückt die Gleichtaktspannung und verstärkt das Sensorsignal mit einem nur sehr geringen Fehler. Die Eingangs-Gleichtaktspannung (VCM) und die Differenzspannungen (UD) müssen aber berücksichtigt werden, um eine Sättigung zu vermeiden. Eine gesättigte Eingangsstufe kann für die Verarbeitungsschaltkreise als normal erscheinen, hat aber verheerende Folgen. Verstärker mit RRIO-Konfiguration (Rail-to-Rail Input and Output) schaffen einen maximalen Spielraum bei der Entwicklung und verhindern eine Sättigung der Eingangsstufe.

Die Eingangs-Offsetspannung aller Verstärker verändert sich über der Temperatur und Zeit – unabhängig von Prozesstechnologie und Architektur. Hersteller geben die Eingangs-Offsetdrift über der Temperatur in Volt pro Grad Celsius (V/°C) an. Bei herkömmlichen Verstärkern liegt der Grenzwert im zweistelligen µV/°C-Bereich. Diese Offsetdrift kann sich in hochpräzisen Anwendungen als problematisch erweisen und kann bei der anfänglichen Herstellung nicht kalibriert werden. Neben der Temperaturdrift kann sich auch die Eingangs-Offsetspannung eines Verstärkers über der Zeit verändern und erhebliche Fehler während der Lebensdauer des Produkts erzeugen. Aus naheliegenden Gründen ist diese Drift in den Datenblättern nicht aufgeführt.

Verstärker ohne Drift

Zero-Drift-Verstärker minimieren von Natur aus die Drift sowohl über der Temperatur als auch über der Zeit, da sie kontinuierlich die Offset-Spannung korrigieren. Einige Zero-Drift-Verstärker korrigieren den Offset bis zu 10.000 Mal pro Sekunde. Die Eingangs-Offsetspannung (VOS) ist ein wichtiger Parameter und eine Ursache für DC-Fehler, wenn INAs zur Messung von Sensorsignalen zum Einsatz kommen. Zero-Drift-Verstärker bieten eine Offsetdrift bis hinab auf nur 5 nV/°C.

Sie beseitigen auch das 1/f-Rauschen oder Flickerrauschen (Bild 2). 1/f-Rauschen ist ein Niederfrequenz-Phänomen, das durch Unregelmäßigkeiten im Leitungspfad und durch Stromrauschen in den Transistoren entsteht. Zero-Drift-Verstärker eignen sich daher hervorragend für Niederfrequenz-Eingangssignale nahe Gleichstrom, z.B. für Ausgänge von Dehnungsmessstreifen, Drucksensoren und Thermoelementen. Zu beachten ist, dass der Zero-Drift-Verstärker aufgrund seiner Sample-and-Hold-Funktion ein getastetes System ist, das anfällig für Aliasing- und Falteffekte ist. Somit können Subtraktionsfehler Breitbandkomponenten im Basisband generieren. Bei niedrigen Frequenzen ändert sich das Rauschen jedoch langsam, sodass die Subtraktion der beiden aufeinander folgenden Rauschwerte zu einer echten Aufhebung führt.

Bildquelle: © Intersil

Bild 2: Rauschdichte in Halbleiterbauelementen: 1/f-Rauschen bis weißes Rauschen