Warum werden für einen Instrumentenverstärker zwei Stufen verwendet?

Das 3-Operationsverstärker-Design hat drei Hauptvorteile gegenüber einem einzelnen Operationsverstärker-Differenzverstärker.

1. Die Eingangsimpedanz ist viel höher, da die Eingänge direkt in einen Operationsverstärkereingang und nicht in einen Widerstandsteiler getrieben werden.
2. Die Verstärkung kann durch Ändern eines einzelnen Widerstands eingestellt werden, sodass die kritischen Teile einfach auf einem Chip integriert werden können (maximale Symmetrie) mit einem einzigen externen Widerstand zum Einstellen der Verstärkung.
3. In Konfigurationen mit hoher Verstärkung ist die Gleichtaktunterdrückung viel besser, da die Verstärkung der (hochsymmetrischen) ersten Stufe die Gleichtaktunterdrückung der (weniger symmetrischen) zweiten Stufe effektiv multipliziert.

Beachten Sie, dass es im Allgemeinen besser ist, einen bestimmten Instrumentenverstärker-Chip zu verwenden, als zu versuchen, ihn selbst aus separaten Teilen zu bauen. Alles auf einem Chip zu haben, verbessert die Symmetrie und damit die Gleichtaktunterdrückung.

Einer der größten Vorteile des 3-Operationsverstärkers INA ist die gleiche und hohe Eingangsimpedanz. Die Eingangsimpedanz der nicht-invertierenden Pins des Operationsverstärkers kann im oberen Bereich liegen$T\Omega$Reichweite. Ich überlasse es Ihnen als Übung, aber wenn Sie sich die Differenzverstärkerschaltung ansehen, variiert die Eingangsimpedanz des negativen Eingangs mit dem positiven Eingang.

Zusätzlich zu Bedenken hinsichtlich der Eingangsimpedanz bietet die Verstärkung in zwei Stufen einen besseren Frequenzgang.

Es gibt einen einstufigen Differenzverstärker mit hoher Eingangsimpedanz.

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

Ohne Rg hat dies einen Gewinn von (f+1). Rg kann verwendet werden, um die Verstärkung zu erhöhen.

Es hat jedoch Leistungskompromisse gegenüber der 3-Verstärker-Version.

a) Es hat eine geringere Open-Loop-Verstärkung, daher sind sehr hohe Verstärkungen nicht so stabil
. b) Die beiden Signalpfade haben eine unterschiedliche Phasenverschiebung, sodass die Gleichtaktunterdrückung nur bei niedrigen Frequenzen funktioniert. Sie können dies jedoch mit einem strategisch platzierten Kondensator ein wenig verbessern.
c) Bei niedrigen Verstärkungen ist der Gleichtaktbereich durch den Headroom des Netzteils begrenzt.
d) Es ist komplizierter, korrekt zu zeichnen als die 3-Verstärker-Version. Erst kürzlich habe ich eine Eselsbrücke erstellt, um die Widerstände aus dem Gedächtnis an die richtigen Stellen zu bringen.

Aber wenn Sie nur noch 2 Verstärker haben, dann funktioniert es. Es ermöglicht Ihnen die Steuerung der Verstärkung mit einem einzigen variablen Widerstand, genau wie bei der 3-Verstärker-Version, aber leider ist dieser Widerstand nur bei der 3-Ampere-Version schwebend.

Die obigen Antworten sind zuverlässig, aber ich möchte etwas hinzufügen. Betrachten Sie den Differenzverstärker:

Wenn eine Person die Verstärkung des Verstärkers variieren möchte (z. B. um die maximale Auflösung des ADC auszunutzen), müssen die 2 Widerstände mit dem Wert K⋅R über elektromechanisch einstellbare Widerstände perfekt synchron eingestellt werden, sodass ein leichter Schlag oder Verschleiß dieser Widerstände zu einem Ungleichgewicht führt zwischen den Werten dieser beiden Widerstände ergibt sich dann ein nicht zu vernachlässigender Gleichtaktfaktor. Normalerweise ist der Gleichtakt in der vorherigen Stufe (z. B. Wheatstone-Brücke) viel größer als der Gegentakt, dann führt dies zu falschen Messungen.