Analoge Schaltungstechnik Hitzefeste Differenzverstärker

Wenn elektronische Schaltungen auch jenseits von 200 °C noch zuverlässig funktionieren sollen, werden geeignete differenzielle Verstärker sehr rar und teuer. Durch die Kombination zweier Instrumentenverstärker ergibt sich für solche Anwendungen eine elegante und deutlich günstigere Lösung.

Moderne Elektroniksysteme müssen bei immer höheren Umgebungstemperaturen zuverlässig arbeiten. So verlangen Turbinen, Ausrüstungen für die Erdölförderung und viele andere aktuelle und kommende Steuerungsapplikationen nach Bauteilen, die bei Temperaturen von über +200 °C zuverlässig funktionieren müssen. Jedoch sind integrierte Schaltungen für den Einsatz bei hohen Temperaturen generell nur begrenzt verfügbar, speziell jedoch solche für Umgebungstemperaturen von +200 °C und mehr.

Eine Methode zum Umgang mit solch ungünstigen Umgebungsbedingungen besteht darin, die Elektronik einfach an einem entfernten Ort (Remote) mit günstigerer Umgebung unterzubringen. Diese Möglichkeit erhöht jedoch die Kosten, beeinträchtigt die Zuverlässigkeit und senkt die Systemgenauigkeit. Deshalb steigt der Bedarf an Elektronikschaltungen kontinuierlich, die speziell für den Betrieb bei hohen Temperaturen über +200 °C entwickelt wurden.

Schaltungen auf der Basis von Siliziumkarbid und Galliumarsenid können bei hohen Temperaturen arbeiten, lassen sich jedoch nicht besonders wirtschaftlich herstellen. Heute gibt es nicht viele differenzielle Verstärker, die speziell für den Einsatz bei hohen Temperaturen optimiert sind. Die hier beschriebene Designidee ist eine alternative Lösung, die sich durch geringere Kosten und höhere Performance auszeichnet.

Zwei schnelle, rauscharme High-Performance-Instrumentenverstärker des Typs »AD8229« sind zusammengeschaltet und bilden einen für hohe Temperaturen geeigneten differenziellen Verstärker. Der AD8229 wird in einem modernen SOI-Prozess (Silicon on Insulator) hergestellt. Dies ist der gleiche Prozess, der für Präzisions-Druckaufnehmer für die Flugzeug- und Turbinenbranche sowie petrochemische Anwendungen verwendet wird.

Im SOI-Prozess gefertigte Schaltungen haben Eigenschaften wie hohe Genauigkeit und hohe Zuverlässigkeit, verbesserte Medienverträglichkeit und die Möglichkeit zum Einsatz in erweiterten Temperaturbereichen. So wurde der im achtpoligen SBDIP-Gehäuse (Side-brazed Ceramic Dual-in-Line Package) erhältliche Instrumentenverstärker AD8229 für den Betrieb bei extrem hohen Temperaturen entwickelt.

Der dielektrisch isolierte Prozess minimiert Leckströme bei hohen Temperaturen, während die Designarchitektur niedrige Basis-Emitter-Spannungen bei hohen Temperaturen kompensiert. A/D-Wandler (ADCs) arbeiten normalerweise an unipolaren Spannungen von 1,8 V bis 5 V. Um ein kleines Signal in Anwesenheit hoher Gleichtaktspannungen zu verarbeiten, verstärkt ein Instrumentenverstärker vor dem A/D-Wandler das Signal und unterdrückt zugleich die Gleichtaktspannung, um zu verhindern, dass die Eingänge des A/D-Wandlers in die Sättigung gehen.

Verstärkung einstellbar

Bild 1 zeigt einen komplett differenziellen Verstärker mit einer Systemverstärkung von 2. In Verbindung mit massebezogenen oder differenziellen Eingängen stellt der Verstärker einen verzerrungsarmen, differenziellen Ausgang zur Verfügung, der hochgenaue A/D-Wandler treiben kann. Diese Komplettlösung für hohe Temperaturen bietet einen verstärkten und skalierten Ausgang und kann so die Leistungsdaten und die Effizienz von Systemen deutlich verbessern, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen arbeiten müssen.

Verstärker A dient als Folger, Verstärker B fungiert als Inverter. Als Ausgang erzeugt die Schaltung ein verstärktes differenzielles Signal zwischen »OUTP« und »OUTN«. Ohne Widerstand zur Einstellung der Verstärkung bietet das System eine Verstärkung von G = 2. Falls jedoch eine Verstärkung größer als 2 gewünscht wird, ist ein entsprechender Widerstand RG über den beiden Anschlüssen »RG« in Bild 1 erforderlich. Die Übertragungsfunktion dieser Schaltung ist:

VOUT = 2 × G × (VIN+ − VIN−) + VREF,

wobei gilt:

G = 1 + 6 kΩ/RG.

Die Verstärkungsgenauigkeit wird durch die absolute Toleranz von RG bestimmt. Eine Fehlanpassung des Temperaturkoeffizienten der externen Verstärkungswiderstände und des internen Dünnfilmwiderstands erhöht die Verstärkungsdrift der Instrumentenverstärker. Verstärkungsfehler und Verstärkungsdrift werden auf einem Minimum gehalten, wenn der Verstärkungswiderstand nicht verwendet wird. Auf der anderen Seite bringt die Möglichkeit, verschiedene Verstärkungen einzustellen, dem Anwender mehr Designflexibilität.

Welche Systemverstärkung G sich mit einigen Standardwiderstandswerten einstellt, zeigt Tabelle 1.

Standardwert von RG
Berechnete Verstärkung
6,04 kΩ3,986
1,5 kΩ10,00
665 Ω20,04
316 Ω39,98
121 Ω 101,18
60,4 Ω200,68
30,1 Ω400,68
Tabelle 1: Mit Standardwiderständen (1% Toleranz) erzielbare Verstärkungen

Man beachte, dass zwei Widerstände zur Einstellung der Verstärkung erforderlich sind. Diese Widerstände müssen sich für den Einsatz bei hohen Temperaturen eignen. Die Fähigkeit dieses differenziellen Verstärkers zur Unterdrückung einer Gleichtaktspannung ergibt sich durch das Verhältnis interner, per Laser abgeglichener Widerstände. Je besser die Widerstände aufeinander abgestimmt sind, desto höher ist die Gleichtaktunterdrückung (CMR).

Während die CMR bei Verwendung diskreter Verstärker und auf 0,1% genauer Widerstände auf 54 dB begrenzt ist, kann die vorliegende Schaltung eine CMR von mehr als 86 dB erreichen. Normalerweise fällt die Gleichtaktunterdrückung von Instrumentenverstärkern ab 200 Hz stark ab, daher wird oft der Einsatz von Gleichtaktfiltern nötig.

Die hier vorgeschlagene Schaltung kann eine Gleichtaktspannung hingegen über einen größeren Bereich unterdrücken und weist mindestens 80 dB CMRR bis 5 kHz auf, wodurch zusätzliche Filter oft entfallen können. Mit unipolar versorgten A/D-Wandlern und anderen Komponenten ist die Schnittstelle am Front-end die einzige Schaltung, die eine bipolare Versorgungsspannung benötigt.

In Verbindung mit einer bipolaren Stromversorgung kann diese Schaltung kleine Signale messen, während sie große negative Gleichtaktspannungen unterdrückt. Der Pegel des Ausgangs lässt sich für eine unipolare Weiterverarbeitung anheben, indem man eine positive Spannung an die »REF«-Pins anlegt. Bei einem ADC für eine unipolare Versorgungsspannung von 5 V stellt eine 2,5-V-Quelle am »REF«-Pin den Ausgang auf mittlere Versorgungsspannung ein.

Diese Quelle, welche die Referenz des ADC sein kann, sollte eine niedrige Impedanz aufweisen, um eine Verringerung der CMR zu vermeiden. Auch sollte sie eine geringe Drift haben, um die Genauigkeit über die Temperatur beizubehalten.

Gut für Brückenmessung

Durch den geringen Offset und die hohe CMR über die Frequenz eignet sich diese Schaltung sehr gut für Brückenmessungen, dabei lässt sich die Brücke direkt an die Eingänge des Verstärkers anschließen.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit sind Druckaufnehmer mit Spannungsausgang.

Und weil die Schaltung ein geringes Rauschen sowie eine niedrige Drift aufweist, eignet sie sich auch für Diagnose-Applikationen.

Bild 2 zeigt, wie die Ausgänge ihre Phasenbalance beibehalten, getestet bei +225 °C.

Man beachte, dass die Eigenschaften des AD8229 bis +210 °C garantiert sind.

Diese Experimente wurden ausschließlich für informative Zwecke bei über +210 °C durchgeführt.

Die Fehlanpassung zweier Ausgänge wird am Knoten »VoCM« gemessen.

Dieser wird durch das Potenzial der externen Quelle »VCM« eingestellt.

Bild 3 zeigt den Gleichtaktfehler des Ausgangs.

Über die Autoren:

Chau Tran arbeitet in der Instrumentenverstärker-Produktgruppe von Analog Devices, Marco Ablao und Sherwin  Gatchalian sind dort Test- bz6w. Produktingenieure.