UGl-UA-Diagramme – Teil 1
Instrumentenverstärker mit zwei OPs
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Restriktionen der Operationsverstärker
Die lineare Funktion eines Instrumentenverstärkers hängt von der Linearität seiner Hauptbestandteile, nämlich seiner Operationsverstärker ab. Ein Operationsverstärker arbeitet linear, wenn sich seine Eingangs- und Ausgangssignale innerhalb des Gleichtakt- bzw. Ausgangsspannungsbereichs befinden. Diese Bereiche werden von der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers (+UB und –UB) festgelegt.
Ein reales Beispiel für die Grenzen des Gleichtakt- und des Ausgangsspannungsbereichs zeigt Bild 7 – die Gleichtakt- und Ausgangsspannungsbereiche müssen nicht unbedingt identisch sein.
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Knotengleichungen für zwei Operationsverstärker
Im nächsten Schritt können die Knotengleichungen gemäß Bild 6 untersucht werden. Die Gleichungen für UAOP2 und UAOP1 werden bereits durch die Gleichungen 10 bzw. 13 gegeben. Die Gleichungen für UEOP1 und UEOP2 aus Bild 6 lauten dagegen wie folgt:
Das UGl-UA-Diagramm kann abhängig von Verstärkung und Referenzspannung unterschiedlich ausfallen. Aus diesem Grund müssen die Gleichungen 10 und 13 nach UA als Funktion der Verstärkungsterme sowie UGl und URef aufgelöst werden. Eine wichtige Beziehung, die dies ermöglicht, liefert das Auflösen von Gleichung 13 nach UD, wie es in Gleichung 16 gezeigt ist.
Nachdem alle erforderlichen Einsetzungen erfolgt sind und nach UA aufgelöst wurde, geben die Gleichungen 17 bis 20 den linearen Betriebsbereich eines aus zwei Operationsverstärkern bestehenden Instrumentenverstärkers an seinem Ausgang als Funktion der Verstärkungsterme, der Terme UGl und URef und der Gleichtakt- und Ausgangsspannungsgrenzen jedes Verstärkers wieder.
Um im linearen Bereich zu bleiben, darf die Spannung an UEOP1 nicht außerhalb des Gleichtaktbereichs von OP1 liegen. Ebenso darf sich die Spannung am Knoten UAOP1 nicht außerhalb des Ausgangsspannungsbereichs von OP1 befinden. Entsprechendes gilt für UEOP2 und UAOP2 von Operationsverstärker OP2. Die Werte der Restriktionen der internen Operationsverstärker sind im Datenblatt eines Instrumentenverstärkers normalerweise nicht explizit angegeben. Anstelle dieser Informationen lassen sich die Werte bestimmen, indem die Restriktionen des ICs untersucht werden und der lineare Betriebsbereich gemessen wird.
Um den eingangsseitigen Gleichtaktbereich näher an die negative Versorgungsspannung heranzurücken, wird in vielen Instrumentenverstärkern, zum Beispiel im INA122, mithilfe von Präzisions-Transistorpuffern eine Pegelverschiebung der Eingangssignale vorgenommen [1–3]. Besonders nützlich ist dies bei einer unipolaren Stromversorgung.
Bild 8 zeigt eine mit TINA-TI vorgenommene Simulation. Die Darstellung zeigt die mit den Gleichungen 17 bis 20 errechneten minimalen und maximalen Grenzen des Gleichtakt- und des Ausgangsspannungsbereichs der internen Verstärker des INA122. Der lineare Betriebsbereich ist die von allen Linien umschlossene Region.
Ein Software-Tool wurde entwickelt, mit dem sich das Erstellen von UGl-UA-Diagrammen für verschiedene Verstärkungen, Referenzspannungen und Versorgungsspannungen vereinfacht. Das Software-Tool kann UGl-UA-Diagramme für Instrumentenverstärker mit zwei oder drei Operationsverstärkern errechnen. Entwickler können es kostenfrei per Internet auf Ihren Rechner laden [4].
Bild 9 zeigt das von dem Software-Tool errechnete UGl-UA-Diagramm des INA122 für die im Datenblatt angegebenen Standardbedingungen. Es stimmt gut Überein mit den Bildern 1 und 8. Allerdings gibt das aus dem Datenblatt entnommene Diagramm in Bild 1 nur die Ausgangsbegrenzungen von OP1 und OP2 wieder, wogegen das Software-Tool auch die Grenzen des Gleichtaktbereichs berücksichtigt.
Der Autor bedankt sich bei Art Kay von Texas Instruments für die Entwicklung des UGl-UA-Software-Tools sowie bei Collin Wells für seine technische Mitwirkung an diesem Beitrag.
Literatur
[1] Semig, P.: Instrumentation amplifier VCM vs. VOUT plots: Part 1. EDN Network, 3. Dezember 2014, www.edn.com/design/analog/4437848/Instrumentation-amplifier-VCM-vs-VOUT-plots--Part-1.
[2] Semig, P.: Instrumentation amplifier VCM vs. VOUT plots: Part 2. EDN Network, 10. Dezember 2014, www.edn.com/design/analog/4437922/Instrumentation-amplifier-VCM-vs--VOUT-plots--part-2.
[3] Semig, P.: Instrumentation amplifier VCM vs. VOUT plots: Part 3. EDN Network, 16. Dezember 2014, www.edn.com/design/analog/4438001/Instrumentation-amplifier-VCM-vs--VOUT-plots--Part-3.
[4] Calculate Input Common-Mode Range of Instrumentation Amplifiers. Software Vcm vs Vout Calculator for Instrumentation Amplifiers (Rev. F), Texas Instruments, www.ti.com/tool/ina-cmv-calc.
[5] Semig, P.: How Instrumentation Amplifier VCM vs. VOUT plots change with supply and reference voltage. TI E2E Community, Precision Hub, 30. Januar 2015, https://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/01/30/how-instrumentation-amplifier-vcm-vs-vout-plots-change-with-supply-and-reference-voltage.
Der Autor
Pete Semig
ist Applikationsingenieur für Analogschaltungen im Bereich für allgemeine Verstärker bei Texas Instruments. Seitdem er bei Texas Instruments arbeitet hat er sich vorrangig mit Instrumentenverstärkern und Differenzverstärkern beschäftigt. Derzeit befasst er sich mit Operationsverstärkern für die Automobilindustrie. Vor seinem Eintritt bei Texas Instruments war Pete Semig als Dozent an der Michigan State University im Fachbereich Elektrotechnik und Informatik tätig. Pete schloss sein Studium in Elektrotechnik (B. Sc. und M. Sc.) an der Michigan State University 1998 und 2001 ab.
asktexas@ti.com
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