Was ist ein Instrumentenverstärker und wie funktioniert der AD524?

Ich kämpfe mit Instrumentenverstärkern. Besonders würde ich gerne wissen

  1. Was einen Instrumentenverstärker ausmacht
  2. welche Art von Schaltungskonfiguration könnte als Instrumentenverstärker klassifiziert werden
  3. Wie funktioniert ein AD524?

Tatsächlich habe ich zuerst den sogenannten INA111 gesehen, dessen Schaltung, die in seinem Datenblatt verfügbar ist, im folgenden Bild dargestellt ist

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Wo R gewinnen ist ein externer Widerstand, der an zwei geeignete Leitungen der integrierten Schaltung angeschlossen wird und zur Einstellung der Verstärkung verwendet wird.

Später ist mir aufgefallen, dass sogar Wikipedia eine Seite namens "Instrumentation Amplifier" bereitstellt, die auch die Verstärkung und die Schaltungskonfiguration des INA111 zeigt.

Also dachte ich "diese Schaltung ist ein Instrumentenverstärker". Aber später habe ich gemerkt, dass da etwas nicht stimmt...

Übrigens habe ich auch herausgefunden, wie man seinen Gewinn berechnet, indem ich jeden seiner Teile separat berechnet habe, wie hier berichtet

  1. "blauer Teil" gewinnen

v Ö 1 = ( 1 + 2 R 1 R gewinnen ) v 1 − v M 2 R 1 G G A ich N

  1. "Grünteil" gewinnen

v Ö 2 = ( 1 + 2 R 1 R gewinnen ) v 2 − v M 2 R 1 G gewinnen

  1. "roter Teil" gewinnen

v + = R 3 R 2 v Ö 2

  1. "Orangenteil" gewinnen

v aus = ( 1 + R 3 R 2 ) v + − v Ö 1 R 3 G 2

Subtrahieren des "blauen Teils" mit dem "grünen Teil" und Verwenden der anderen beiden Gleichungen zum Eliminieren v Ö 1 Und v Ö 2 der Gesamtgewinn, den ich bekomme, ist

G = ( 1 + 2 R 1 R gewinnen ) R 3 R 2

was sowohl mit Wikipedia als auch mit dem INA111-Datenblatt übereinstimmt.

Aber danach stand ich dem AD524 gegenüber, der immer noch als Instrumentenverstärker klassifiziert ist, aber sein interner Aufbau ist

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Es ist nicht nur nicht mehr die bisherige Schaltungskonfiguration, sondern ich erkenne auch keine invertierenden, nicht invertierenden oder differenziellen Konfigurationen. Ich weiß nicht, wie ich den Gewinn berechnen soll, und ich weiß auch nicht, wie es funktioniert. Außerdem verstehe ich nicht richtig, wie man viele seiner Leitungen anschließt.

Wie kann ich nun sein Verhalten verstehen? Wie berechne ich seinen Gewinn?

Der erste Absatz des Wikipedia-Eintrags scheint eine anständige Definition dessen zu liefern, was ein Instrumentenverstärker ist. Haben Sie einen bestimmten Punkt, den Sie klären möchten?
Soweit ich weiß, sind die Hauptmerkmale eines INA: Differenzverstärker, der für die quantitative Verwendung mit Eingangssignalen mit niedriger Spannung und hoher Impedanz ausgelegt ist, normalerweise bei bescheidenen Frequenzen . Die Must-Have-Attribute: genau gesteuerte und stabile Verstärkung, Design ermöglicht die Möglichkeit einer hohen Verstärkung (oft 100x oder mehr), geringer Offset, guter CMRR, hoher Eingangsimpedanz und Rauscheigenschaften. Dies kann mit verschiedenen Schaltungen erreicht werden, dh 2,3,4 Operationsverstärker
Laut Wikipedia hat ein Instrumentenverstärker zwei Trennverstärker als Eingang. Nun, wie diese paar Operationsverstärker für jeden Eingang einen Pufferverstärker bereitstellen, ist mir nicht klar. Darüber hinaus wird eine Lösung für die Impedanzanpassung bereits durch einen einfachen nichtinvertierenden Operationsverstärker bereitgestellt. Warum sollte ich also einen so komplizierten Instrumentenverstärker dem viel einfacheren Nicht-Invertono-Verstärker vorziehen?
Die grundlegende nicht invertierende Operationsverstärkerkonfiguration ist nicht differentiell. Die grundlegende differentielle Konfiguration (mit hoher Verstärkung) ist keine hohe Eingangsimpedanz.

Antworten (3)

Ein Instrumentenverstärker ist ein Differenzverstärker (Ihr orangefarbenes Kästchen) mit gepufferten Eingängen (Ihr blaues und grünes Kästchen), um eine höhere Eingangsimpedanz zu erreichen als ein einfacher Operationsverstärker-Differenzverstärker 1 . Es gibt zwei grundlegende Architekturen: die von Ihnen gezeigte mit drei Operationsverstärkern und eine Version mit zwei Operationsverstärkern (siehe z. B. hier ). Sie können einen aus diskreten Operationsverstärkern bauen oder einen In-Amp-IC verwenden (letzteres ist normalerweise besser). In-Amp-ICs haben oft eine Vielzahl von Funktionen, um sie einfacher zu bedienen, genauer usw. zu machen, und der AD524 hat eine Reihe dieser Funktionen.

Der AD524 basiert auf der Architektur mit drei Operationsverstärkern, aber seine Eingänge verwenden jeweils zwei Operationsverstärker, um eine doppelte Inversion zu erreichen. Sein Datenblatt erklärt, warum der „Vorverstärker“ auf diese Weise konstruiert ist, im Abschnitt „Theorie des Betriebs“ auf Seite 15.

Das Datenblatt erklärt auch, wie die Verstärkung im Abschnitt "Verstärkung" ab Seite 16 bestimmt wird. Sie können entweder einen externen Widerstand an die Pins RG1 und RG2 anschließen, um ihn einzustellen R gewinnen (das Datenblatt enthält die Formel), oder Sie können RG2 mit Pin 11, 12 oder 13 kurzschließen, um die Verstärkung auf 1000, 100 bzw. 10 einzustellen (oder RG2 für eine Verstärkung von 1 offen lassen). Die letztere Methode bietet nur begrenzte Verstärkungsoptionen, macht jedoch einen externen Widerstand überflüssig und ist genauer, da nur die internen, getrimmten Widerstände verwendet werden.

Ein weiterer ungewöhnlicher Aspekt des AD524 ist der SENSE-Pin, der normalerweise mit dem OUTPUT-Pin kurzgeschlossen ist (die meisten Verstärker tun dies intern), aber für eine bessere Genauigkeit direkt mit der Last verbunden werden kann. Dies wird im Abschnitt „Sense-Terminal“ auf Seite 18 erklärt.

Kurz gesagt, es ist am besten, das Datenblatt zu lesen, um zu verstehen, wie der Eingangsverstärker funktioniert.

1 Dies ist ein einfacher Operationsverstärker-Differenzverstärker, der keine gepufferten Eingänge hat:

Operationsverstärker Differenzverstärker

Die Eingangsimpedanzen dieser Schaltung werden durch die Widerstände bestimmt und sind daher niedriger als die Eingangsimpedanz direkt am Eingang eines Operationsverstärkereingangs (letztere erhalten Sie mit einem In-Amp).

Ihre Sektion ist etwas "aus", alle vier Widerstände (oranges Kästchen + rotes Kästchen) und der Operationsverstärker bilden den Differenzverstärker. Wenn SENSE mit dem Ausgang verbunden und REFERENCE geerdet ist, ist dieser Teil des AD524 identisch mit dem Ausgangsabschnitt des typischen In-Amp mit 3 Verstärkern, und der Ausgang ist Vin(+)-Vin(-), wobei Vin(+ ) und Vin(-) sind die internen Knoten, die mit dem Ausgangsdifferenzverstärker verbunden sind.

Die im Frontend angezeigten Verbundverstärker und die Vb-Spannung sollen Menschen, die verstehen, dass interne Knoten im Allgemeinen die Versorgungsschienen nicht überschreiten können, darüber informieren, dass dieser Verstärker etwas anders ist und unter bestimmten Bedingungen nicht gesättigt wird. Im Normalbetrieb können Sie den Vb- und den zweiten Verstärker ignorieren und sich jeden als einen einzelnen Verstärker vorstellen, wenn Sie feststellen, dass das Signal invertiert ist.

Die differenzielle Verstärkung der 2 Verbundverstärker ist ähnlich dem Frontend des 3-Verstärker-Instrumentenverstärkers. Die Differenzverstärkung ist (40K+Rg)/Rg = 40K/Rg + 1. Da der Ausgangsabschnitt eine Verstärkung von 1 Differenzverstärker ist, ist dies auch die Verstärkung zum Ausgang.

Die Toleranz der 40K ist locker, +/-20%, daher bietet AD einige angepasste interne Widerstände, die Sie verwenden können. Sie sind in dem Sinne angepasst, dass das Verhältnis zu den 20K-Widerständen relativ genau ist (genaue Verstärkungsgenauigkeiten finden Sie im Datenblatt). Wenn wir also 404 Ohm haben, beträgt die Verstärkung 40404/404 ~= 100,0. Sie schnallen den gewünschten Widerstand für Verstärkungen von 1, 10, 100, 1000 ein (für eine Verstärkung von 1 bleibt Rg offen).

Der AD524 kaskadiert zwei invertierende Differenzverstärker, jedoch mit negativer Rückkopplung durch RG2 mit optionalen Jumpern.

Somit invertiert dies die -ve-Eingänge zu +ve-Eingängen. Das 2. Paar ist auf Vin+ vorgespannt, um mit dem Vcm-Ausgang des 1. Paars übereinzustimmen.

Die Verstärkung ist somit definiert als (20k + 20k)/Rg +1, also offen ist Einheitsverstärkung und Rg = 40 ist eine Verstärkung von 1001. Ist aber wahrscheinlich lasergetrimmt auf ~ 39,99 Ohm.

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