Instrumentationsforstærker

For alternative betydninger, se IA.

Instrumentationsforstærker symbol

De inverterende og ikke-inverterende input er vist med "−" og "+" symbolerne (respektiv) placeret i forstærker trekanten. V_s+ og V_s− er forsyningsspændingerne; de er ofte udeladt fra diagrammet for overskuelighedens skyld, men er selvfølgelig nødvendig i det rigtige kredsløb.

En instrumentationsforstærker (IA fra eng. Instrumentation Amplifier) er en type af differensforstærker, som er blevet udstyret med input-buffere, der eliminerer behovet for input-impedans justering og derfor gør forstærkeren bedre egnet til brug ved måling og i testudstyr. Yderligere egenskaber omfatter meget lav jævnstrøms offset, lav drift, lav støj, meget høj uimodkoblet forstærkning, meget høj common-mode rejection ratio – og meget høje input-impedanser. Instrumentationsforstærkere anvendes hvor der er brug for både korttids og langtids nøjagtighed og stabilitet af kredsløb.

Selvom instrumentationsforstærkeren sædvanligvis diagrammæssigt vises som et standard operationsforstærkersymbol, består en instrumentationsforstærker næsten altid internt af flere operationsforstærkere. Instrumentationsforstærkeren har høj impedans på hver input (+,−) og ekstern negativ tilbagekobling er ikke nødvendig. Ydermere ville negativ tilbagekobling ødelægge den høje impedans for den inverterende indgang. ^[1]

Valg af design

3 operationsforstærker type

Typisk instrumentationsforstærker kredsløbsdiagram med 3 operationsforstærkere.

De fleste instrumentationsforstærker består næsten altid internt af 3 operationsforstærkere. Disse er placeret så der er en operationsforstærker som buffer hver input (+,−), og en som producerer den ønskede output med tilstrækkelig intern impedans matching til funktionen. ^{[2] [3]}

Det mest almindelige instrumentationsforstærker diagram vises i illustrationen. Kredsløbets forstærkningen er givet ved

${\displaystyle {\frac {U_{\mathrm {a} }}{U_{2}-U_{1}}}=\left(1+{2R \over R_{\mathrm {gain} }}\right){R_{3} \over R_{2}}}$

Forstærkeren til højre sammen med resistorene mærket med ${\displaystyle R_{\text{2}}}$ og ${\displaystyle R_{\text{3}}}$ er bare en standard differensforstærkerkredsløb, med forstærkning = ${\displaystyle R_{\text{3}}/R_{\text{2}}}$ og differens input resistans = 2·${\displaystyle R_{\text{2}}}$. De to forstærkere til venstre er bufferne. Med ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$ fjernet (åbent kredsløb), er de simple en gangsbuffere; kredsløbet vil virke i denne tilstand, med forstærkning lig med ${\displaystyle R_{\text{3}}/R_{\text{2}}}$ og høj input-impedans pga. bufferne. Buffer forstærkningen kan øges ved at sætte en resistor mellem buffer inverterende inputs og jord for at shunte noget at den negative tilbagekobling væk; men en enkelt resistor ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$ mellem de to inverterende inputs er en meget mere elegant løsningsmetode: den øger buffer-parrets differens-mode forstærkning, men efterlader common-mode forstærkningen lig 1. Dette øger kredsløbets common-mode rejection ratio (CMRR) og tillader bufferne at kunne håndtere meget større common-mode signaler uden klipning som ellers ville være tilfældet hvis de var separate og havde samme forstærkning.

En anden fordel ved løsningsmetoden er at forstærkningen bestemmes af en enkelt resistor i stedet for to, hvilket undgår en resistor-matching problem (selvom de to ${\displaystyle R}$s skal matches). En samling af omskifterstyrede resistorer eller et potentiometer kan anvendes til at yde en simpel ${\displaystyle R_{\text{gain}}}$ ændring, uden kompleksiteten med at skulle omskifte matchede par af resistorer.

2 operationsforstærker type

En instrumentationsforstærker kan også bygges med 2 operationsforstærkere for at spare udgifter og øge CMRR, men forstærkningen skal være højere end 2 (+6 dB). ^[4][5]

Diskret opbygget kontra integreret kredsløb

Instrumentationsforstærkere kan bygges af diskrete operationsforstærkere og precisionsresistorer, men er også tilgængelige som integrerede kredsløb fra adskillige producenter (inklusiv Texas Instruments, National Semiconductor, Analog Devices, Linear Technology og Maxim Integrated Products). En IC instrumentationsforstærker indeholder typisk laser-trimmede resistorer, og yder derfor en god common-mode afvisning. Eksempler omfatter AD620^[6], MAX4194^[7], LT1167^[8] og INA128^[9].

"Indirect Current-feedback Architecture"

Instrumentationsforstærkere kan også designes ved at anvende "Indirect Current-feedback Architecture", hvilket udvider det brugbare spændingsområde til kun at have negativ spændingsforsyning – og i nogle tilfælde kun positiv spændingsforsyning (og nul). Dette kan være nyttigt hvor kun én forsyningsspænding er tilgængelig. Eksempler på dele som anvender denne arkitektur er MAX4208/MAX4209^[10] og AD8129/AD8130^[11].

Modkoblingsfri instrumentationsforstærker

Modkoblingsfri instrumentationsforstærkere er en højimpedans input differensforstærker designet uden eksternt tilbagekoblingskredsløb. Dette tillader reduktion i antallet af forstærkere (en i stedet for tre), reducerer støj (ingen termisk støj kommer fra tilbagekoblingsresistorene) og øget båndbredde (ingen frequens kompensering er nødvendig). Designet af sådanne forstærkere behandles her. ^[12]

Nul drift

Chopper stabiliseret (eller nul drift) instrumentationsforstærkere såsom LTC2053^[13] anvender en omskiftet input front end for at eliminere DC offset fejl og drift.

Kilder/referencer

1. April 11, 2002, edn.com: Mutant op amp becomes instrumentation amp Citat: "...However, op amps offer no free lunch: Op amps' versatility stems from their open-loop configuration, but external resistors that degrade CMRR must close the loop..."
2. R.F. Coughlin, F.F. Driscoll Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits (2nd Ed.1982. ISBN 0-13-637785-8) p.161.
3. Moore, Davis, Coplan Building Scientific Apparatus (2nd Ed. 1989 ISBN 0-201-13189-7)p.407.
4. "Don't fall in love with one type of instrumentation amp - 2002-05-30 07:00:00". EDN. Arkiveret fra originalen 9. januar 2009. Hentet 2011-10-03., pdf Arkiveret 13. august 2011 hos Wayback Machine
5. "Artikel7". Biosemi.com. Hentet 2011-10-03.
6. "AD620". Arkiveret fra originalen 1. januar 2011. Hentet 18. juli 2012.
7. "MAX4194". Arkiveret fra originalen 2. maj 2010. Hentet 18. juli 2012.
8. LT1167
9. INA128
10. "MAX4208/MAX4209". Arkiveret fra originalen 3. maj 2010. Hentet 18. juli 2012.
11. "AD8129/AD8130". Arkiveret fra originalen 11. november 2014. Hentet 18. juli 2012.
12. Ph.D. Thesis. Design of cmos analog integrated circuits as readout electronics for high-tc superconductor and semiconductor terahertz bolometric sensors by Vratislav Michal
13. LTC2053

Eksterne henvisninger

• Opamp Instrumentation Amplifier Arkiveret 2. marts 2011 hos Wayback Machine
• The instrumentation amplifier
• Lessons In Electric Circuits — Volume III — The instrumentation amplifier Arkiveret 26. april 2012 hos Wayback Machine
• A Practical Review of Common Mode and Instrumentation Amplifiers Arkiveret 16. maj 2011 hos Wayback Machine (PDF)
• Web archive backup: The Instrumentation Amplifier