Analoges Verstärkerdesign - wie kann man es effektiv machen, wenn die Verstärkung so stark variiert?

Eine nicht erwähnte Option ist die Verwendung von gekapselten Differenzverstärkern oder Instrumentenverstärkern, bei denen alle internen Widerstände sehr effektiv auf hohe Genauigkeit getrimmt sind. Dadurch wurde das Risiko falsch angepasster Widerstände effektiv minimiert, was die Gleichtaktunterdrückung wirklich zunichte machen kann (was oft ein größeres Problem ist als nicht exakte Verstärkungen).

Wenn eine hochpräzise Verstärkung ein echtes Muss ist, stellt ein Instrumentenverstärker die Verstärkung mit nur einem Widerstand ein, und das kann so hochpräzise sein, wie Sie bereit sind zu zahlen. Alternativ kann auch ein niedrigerer Widerstand und ein Trimmerpoti zum Abgleich verwendet werden

Wenn man einem Verstärker eine negative Rückkopplung so hinzufügt, dass ein Verstärker mit unendlicher Verstärkung eine Verstärkung von hätte$x$, aber die tatsächliche Verstärkung des Verstärkers ist nicht unendlich, sondern ist es$y$, liegt der Gewinn des Systems wahrscheinlich in der Größenordnung von:

Das kann man so sehen$y$Ansätze, die$1/y$Begriff fällt aus und der Gewinn ist einfach$x$. Wenn$y$ist relativ groß$x$, der Nettogewinn wird nicht ganz gleich sein$x$, aber auch große Variationen in$y$wird nur kleine Schwankungen im Nettogewinn verursachen.

Wenn man einen Verstärker mit einem geeignet vorgespannten Eingangssignal konstruiert, das die Basis eines NPN-Transistors speist, dessen Emitter über einen Widerstand mit Masse verbunden ist und dessen Kollektor über einen anderen Widerstand mit der positiven Schiene verbunden ist, wäre die Verstärkung des "idealen Transistors" gleich zum Verhältnis dieser beiden Widerstände, da die Spannung am Emitter der Spannung an der Basis folgen würde und der Strom durch den Kollektor dem Strom durch den Emitter entsprechen würde. Wenn die Widerstände z. B. 1K und 10K wären, würde eine Erhöhung der Basisspannung um 100mV dazu führen, dass zusätzliche 100uA durch den 1K-Widerstand fließen, was wiederum dazu führen würde, dass zusätzliche 100uA durch den 10K-Widerstand fließen, wodurch dieser abfällt zusätzliche Volt.

In der Praxis verhalten sich reale Transistoren nicht ganz wie ideale Transistoren, aber wenn die Widerstände so gewählt werden, dass sie eine im Verhältnis zum Beta des Transistors kleine Verstärkung ergeben, ist die Auswirkung des Betas des Transistors auf das Ausgangsverhalten relativ gering.

Operationsverstärker gehen dieses Konzept weiter, indem sie kaskadierte Kombinationen von Transistoren verwenden, um eine inhärente Verstärkung zu erzielen, die ausreichend hoch ist, dass Schwankungen darin keine Rolle spielen. Die sehr hohen Verstärkungspegel machen es für Operationsverstärker oft erforderlich, eine interne hochfrequente negative Rückkopplung einzuführen, die die Verstärkung künstlich dämpft, um unerwünschte Oszillationen zu vermeiden. Abhängig von den jeweiligen Komponenten, die man verwendet, können solche Einschränkungen eng oder locker charakterisiert werden, aber wenn man einen Operationsverstärker nicht nahe an den Grenzen seiner Leistung verwendet, spielen sie im Allgemeinen keine allzu große Rolle.

Wenn die korrekte Verstärkung über PVT (Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen) wichtig ist, sind die Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung kritisch. Es ist nicht die einzige Lösung, aber die am häufigsten verwendete und am leichtesten verständliche Lösung.

Sich auf die Open-Loop-Verstärkung von Operationsverstärkern oder die verschiedenen Parameter von Transistoren zu verlassen, ist normalerweise ein Nichtstarter, es sei denn, Sie machen am Ende ein paar zwickende analoge Kludges oder erfinden negatives Feedback neu.

Der Schlüssel zum Funktionieren von Verstärkern ist negatives Feedback. Wie Sie in Ihrer Frage angemerkt haben, ist die Open-Loop-Verstärkung kein "guter" Parameter, da sie zu stark variiert. Die Open-Loop-Verstärkung der meisten Operationsverstärker ist jedoch zu hoch, um ohnehin verwendet werden zu können. Durch einen glücklichen Zufall können diese beiden Probleme mit negativem Feedback gelöst werden.

Im folgenden Schema ist der Operationsverstärker in einer invertierenden Konfiguration (was bedeutet, dass der Ausgang negativer wird, wenn der Eingang positiver wird) mit negativer Rückkopplung eingerichtet, um eine Spannungsverstärkung von 100 zu erzeugen: R2 und R5 bilden einen Spannungsteiler zwischen dem Ausgang und dem Eingang, und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers wird vom Ausgang des Teilers genommen. Beachten Sie, dass die Verstärkung dieser Schaltung fast ausschließlich von den Werten von R2 und R5 abhängt. Die Werte aller anderen Komponenten haben einen sehr geringen Einfluss auf die Verstärkung. Wenn ein positiver Ausgang oder mehr Verstärkung benötigt wird, kann eine zweite invertierende Verstärkerstufe an den Ausgang der ersten angeschlossen werden.

In Ihrer Frage geben Sie an

Die Verstärkung ist eine direkte Funktion der Widerstandswerte (die stark variieren!)

Ich bin mir nicht ganz sicher, was du damit meinst, aber ich denke, es gibt zwei Möglichkeiten:

1. Dass die Werte der Rückkopplungswiderstände variieren und dass dies die Verstärkung des Verstärkers beeinflusst.
2. Dass der Wert Ihres aktuellen Shunt-Widerstands (des Wandlers) variieren wird und dass dies die Verstärkung des Verstärkers beeinflussen wird.

Im ersten Fall würde ich wohl nicht sagen, dass selbst billige Widerstände eine große Variation aufweisen, aber vielleicht ist Ihre Anwendung anders und Sie benötigen eine in Teilen pro Million gemessene Verstärkungsstabilität. Wenn Sie eine solche stabile Verstärkung benötigen, würde ich vorschlagen, einige der von Linear Devices (linear.com) veröffentlichten Anwendungshinweise von Jim Williams zu lesen, die viele gute Informationen zur Herstellung verstärkungsstabiler Verstärker enthalten. Linear stellt auch einige Komponenten her (z. B. den berühmten Operationsverstärker LTC1052), die einen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten und Versorgungsspannungskoeffizienten haben. Sie stellen auch angepasste Widerstände (mit mehr als 25 Teilen pro Million, je nachdem, wie viel Sie zu zahlen bereit sind) auf einem Chip her.

Im zweiten Fall missverstehen Sie meiner Meinung nach das negative Feedback-Netzwerk. Solange die Ausgangsimpedanz des Wandlers "viel" kleiner als die Eingangsimpedanz des Verstärkers ist, hängt die Verstärkung des Verstärkers nicht von der Impedanz des Wandlers ab. In diesem Fall hat der Verstärker eine Eingangsimpedanz von mindestens 10 kOhm, und der Wandler hat sicherlich eine Impedanz von weniger als einem Ohm (beachten Sie, dass der Wert des Strom-Shunt-Widerstands nicht mit der Wandlerimpedanz identisch ist). Dieser Unterschied von Faktor 10.000 gilt sicherlich als "viel" größer.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}