Differenzverstärker mit festem V
Wie die Verstärkung erhöhen?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Beispiel für eine Dimensionierung
Der Differenzverstärker AD8479 [1] von Analog Devices verwendet diese fortschrittliche Technik. Er ist ein Differenzverstärker mit Verstärkung Eins und hoher Gleichtaktunterdrückung. Mit dem AD8479 kann ein Differenzsignal auch bei einem Gleichtaktsignal von ±600 V gemessen werden. Für einige Anwendungen ist eine Verstärkung größer als Eins erforderlich, und die zuvor beschriebene Technik ist auch dafür perfekt geeignet. Im folgenden Rechenbeispiel wird die für die Strommessung per Messwiderstand häufig gewünschte Verstärkung von 10 (= V1) gewählt.
Da der AD8479 das Gleichtaktsignal dämpft und das Differenzsignal verstärkt, um eine Systemverstärkung von Eins zu erhalten, muss dies bei der Verstärkungsanpassung berücksichtigt werden.
Da die Verstärkung von der positiven Referenz 60 und die Verstärkung vom positiven Eingang 1 beträgt, ergibt sich für die Rauschverstärkung (NG) der Schaltung insgesamt 61. Da die Gesamtverstärkung also eins ist, muss VD also 1/NG sein:
Mit Gleichung 7 können R3 und R4 berechnet werden:
Die Verstärkung für den AD8479 wird mit einer Last von 2 kΩ angegeben, daher ist dies das Ziel für R3 + R4.
Soll R3 + R4 = 2 kΩ sein werden gewählt:
- R3 = 1970 Ω
- R4 = 30 Ω
- R5 = 1773 Ω
Um diese Schaltung unter Verwendung von Standardwiderstandswerten aufzubauen, müssen Widerstände parallelgeschaltet werden, um ein genaueres Verhältnis zu erreichen, als es mit einzelnen Standardwiderständen möglich ist (Bild 6).
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Der resultierende Ausgangswert, in Bild 7 in blau dargestellt, entspricht erwartungsgemäß dem 10-fachen des Eingangswerts (gelb). Als nominelle Bandbreite der Schaltung für eine Verstärkung von 10 wird 1/10 der typischen AD8479-Bandbreite erwartet, da β/β– = 1/10 ist und die –3-dB-Frequenz mit 48 kHz gemessen wurde (Bild 8).
Bild 9 zeigt die resultierende und zu erwartende Impulsantwort. Die Anstiegsgeschwindigkeit entspricht der Standard-Anstiegsgeschwindigkeit des AD8479 und die Einschwingzeit dauert aufgrund der reduzierten Bandbreite länger.
Messungen an der Verstärkerschaltung nach Bild 6
Auswirkungen, die zu beachten sind
Da die neue Schaltung auf beide Eingänge des Operationsverstärkers rückkoppelt, wird das Gleichtaktverhalten des Operationsverstärkers durch ein Signal an einem der beiden Eingänge beeinflusst. Dadurch ändert sich der Eingangsspannungsbereich der Schaltung. Er sollte neu berechnet werden, um eine Übersteuerung des Operationsverstärkers zu vermeiden.
Zusammen mit der Verstärkung wurde auch die Rauschverstärkung erhöht. Das führt dazu, dass auch das spektrale und Spitze-Spitze-Spannungsrauschen am Ausgang um den gleichen Faktor zunehmen.
Es wird jedoch zu einem vernachlässigbaren Effekt, wenn das Signal auf den Eingang bezogen wird. Schließlich ist das CMRR der Schaltung mit erhöhter Verstärkung gleich dem CMRR der vorherigen Schaltung, vorausgesetzt, es ergibt sich kein zusätzlicher Gleichtaktfehler durch die Widerstände R3, R4 und R5. Da R5 dazu dient, das CMRR aus der Addition von R3 und R4 zu korrigieren, ist es möglich, das CMRR so zu bestimmen, dass es besser als das der ursprünglichen Schaltung ist. Dies erfordert jedoch eine Feinjustierung, und es muss zwischen Verstärkungsfehler und CMRR abgewogen werden.
Dieses Vorgehen kann angewendet werden, um die Vorteile des Differenzverstärkers mit fester Verstärkung zu nutzen, ohne durch seine festen Vorgaben eingeschränkt zu sein. Da das Verfahren allgemein gilt, kann es auch bei vielen anderen Differenzverstärkern angewendet werden. Das einfache Hinzufügen von drei Widerständen ermöglicht eine erhebliche Flexibilität, ohne dass aktive Komponenten verwendet werden müssen.
Literatur
[1] AD8479 Very High Common-Mode Voltage Precision Difference Amplifier. Analog Devices, Datenblatt, 2019, www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8479.PDF
Der Autor
Matthew »Rusty« Juszkiewicz
ist Produktingenieur in der Linear Products and Solutions (LPS)-Gruppe bei Analog Devices (ADI) in Wilmington, Massachusetts. Er kam 2015 zu ADI, nachdem er sein Elektrotechnikstudium mit dem Master (M.S.E.E.) an der Northeastern University abgeschlossen hatte.
rusty.juszkiewicz@analog.com
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