UGl-UA-Diagramme – Teil 2
Instrumentenverstärker mit zwei OPs und einer Verstärkungsstufe
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Grenzen der Operationsverstärker
Die lineare Funktion eines Instrumentenverstärkers hängt von der linearen Funktion seines Hauptbestandteils, nämlich seiner Operationsverstärker ab. Ein Operationsverstärker arbeitet linear, wenn seine Eingangs- und Ausgangssignale innerhalb des Gleichtakt- bzw. Ausgangsspannungsbereichs liegen. Die Versorgungsspannungen des Operationsverstärkers (+UB und –UB) definieren diese Bereiche. Ein reales Beispiel für die Grenzen des Gleichtakt- und des Ausgangsspannungsbereichs zeigt Bild 7. Zu beachten ist, dass Gleichtakt- und Ausgangsspannungsbereich nicht unbedingt übereinstimmen müssen.
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Gleichungen für die Knoten eines Instrumentenverstärkers aus zwei Operationsverstärkern und einer Verstärkerstufe
Im nächsten Schritt können die Knotengleichungen (Bild 6) untersucht werden. Die Gleichungen für UAOP1, UAOP2 und UAV3 wurden bereits von den Gleichungen 16 bis 18 beschrieben, es fehlen somit nur noch die Gleichungen für UEOP1 und UEOP2:
Das Diagramm des linearen Betriebsbereichs kann abhängig von Verstärkung und Referenzspannung unterschiedlich ausfallen. Deshalb müssen die Gleichungen 16 bis 18 und 20 bis 21 nach UA als Funktion der Verstärkungsterme sowie von UGl und URef aufgelöst werden. Eine nützliche Beziehung liefert das Auflösen von Gleichung 1 nach UD:
Nachdem alle erforderlichen Einsetzungen erfolgt sind und nach UA aufgelöst wurde, geben die Gleichungen 23 bis 27 den linearen Betriebsbereich eines aus zwei Operationsverstärkern und einer Verstärkerstufe bestehenden Instrumentenverstärkers an seinem Ausgang (UA) wieder – als Funktion der Verstärkungsterme, der Terme UGl und URef und der Gleichtakt- und Ausgangsspannungsgrenzen jedes Verstärkers (UEOP1, UEOP2, UEV3, UAOP1, UAOP2 und UAV3).
Um im linearen Bereich zu bleiben, darf die Spannung an UEOP1 nicht außerhalb des Gleichtaktbereichs von OP1 liegen. Ebenso darf die Spannung am Knoten UAOP1 nicht aus dem Ausgangsspannungsbereich von OP1 herausgeraten. Entsprechendes gilt für die Gleichtakt- und Ausgangsspannungs-Grenzen von OP2 und V3. Die Restriktionen der internen Operationsverstärker können üblicherweise dem Datenblatt des jeweiligen Instrumentenverstärkers entnommen werden oder lassen sich durch Messung des linearen Betriebsbereichs im Labor bestimmen.
Bild 8 zeigt eine mit der Software TINA-TI vorgenommene Simulation für die Gleichungen 23 bis 27, die die Ober- und Untergrenzen des Gleichtakt- und des Ausgangsspannungsbereichs der internen Verstärker des INA331 wiedergeben. Der lineare Betriebsbereich ist die von allen Linien umschlossene Region.
Das in [6] vorgestellte Softwaretool [7] wurde so modifiziert, dass es den linearen Betriebsbereich von Instrumentenverstärken aus zwei Operationsverstärkern und einer Verstärkerstufe, z.B. INA321, INA322, INA331 und INA332, simulieren kann. Dies vereinfacht das Erstellen der Diagramme für verschiedene Verstärkungen, Referenzspannungen und Versorgungsspannungen.
Bild 9 zeigt das mit dem Software-Tool errechnete Diagramm für den INA331 auf Basis der im Datenblatt angegebenen Standardbedingungen. Nach Drehung und Spiegelung des Diagramms lässt sich eine gute Übereinstimmung mit den Bildern 1 und 8 erkennen.
Der Autor bedankt sich bei Art Kay von Texas Instruments für die Entwicklung des UGl-UA-Software-Tools sowie bei Shreenidhi Patil und Collin Wells für ihre technische Mitwirkung an diesem Beitrag.
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