Instrumentasjonsforsterker - Instrumentation amplifier

Typisk instrumenteringsforsterker skjematisk

En instrumenteringsforsterker (noen ganger shorthanded som in-forsterker eller InAmp ) er en type differensialforsterker som har blitt utstyrt med inngangsbufferforsterkere , som eliminerer behovet for inngangs impedanstilpasning og således gjøre forsterkeren særlig egnet til bruk ved måling og testutstyr . Ytterligere egenskaper inkluderer veldig lav DC- forskyvning, lav drift , lav støy , veldig høy open-loop-forsterkning , veldig høyt common-mode avvisningsforhold og svært høye inngangsimpedanser . Instrumenteringsforsterkere brukes der det kreves stor nøyaktighet og stabilitet i kretsen både på kort og lang sikt.

Selv om instrumenteringsforsterkeren vanligvis er vist skjematisk identisk med en standard operasjonsforsterker (op-amp), er den elektroniske instrumentforsterkeren nesten alltid internt sammensatt av 3 op-ampere. Disse er ordnet slik at det er en op-amp for å buffere hver inngang (+,-), og en for å produsere ønsket utgang med tilstrekkelig impedansmatching for funksjonen.

Den mest brukte instrumentforsterkerkretsen er vist på figuren. Gevinsten til kretsen er

${\ displaystyle A_ {v} = {\ frac {V _ {\ text {out}}} {V_ {2} -V_ {1}}} = \ venstre (1+{\ frac {2R_ {1}} {R_ {\ text {gain}}}} \ right) {\ frac {R_ {3}} {R_ {2}}}.}$

Forsterkeren til høyre, sammen med motstandene merket og er bare standard differensialforsterkerkrets, med forsterkning = og differensial inngangsmotstand = 2 · . De to forsterkerne til venstre er bufferne. Med fjernet (åpen krets) er de enkle enhetsforsterkende buffere; kretsen vil fungere i den tilstanden, med forsterkning ganske enkelt lik og høy inngangsimpedans på grunn av bufferne. Buffergevinsten kan økes ved å sette motstander mellom bufferinverteringsinngangene og jord for å skyte bort noen av de negative tilbakemeldingene; Imidlertid er enkeltmotstanden mellom de to inverterende inngangene en mye mer elegant metode: den øker differensialmodusforsterkningen for buffertparet, mens common-mode-forsterkningen er lik 1. Dette øker common-mode rejection ratio (CMRR) kretsen og gjør det også mulig for bufferne å håndtere mye større common-mode signaler uten å klippe enn det ville være tilfelle hvis de var separate og hadde samme forsterkning. En annen fordel med metoden er at den øker gevinsten ved hjelp av en enkelt motstand i stedet for et par, og dermed unngår et problem med motstandsmatching og veldig praktisk lar forsterkningen til kretsen endres ved å endre verdien av en enkelt motstand. Et sett med brytere-valgbare motstander eller til og med et potensiometer kan brukes til , noe som gir enkle endringer i kretsens forsterkning, uten kompleksiteten ved å måtte bytte matchede par motstander. ${\ displaystyle R_ {2}}$${\ displaystyle R_ {3}}$${\ displaystyle R_ {3}/R_ {2}}$${\ displaystyle R_ {2}}$${\ displaystyle R _ {\ text {gain}}}$${\ displaystyle R_ {3}/R_ {2}}$${\ displaystyle R _ {\ text {gain}}}$${\ displaystyle R _ {\ text {gain}}}$

Den ideelle common-mode forsterkningen til en instrumenteringsforsterker er null. I den krets som er vist, er fellesmode-gevinst som skyldes mistilpasning i de motstandsforhold og ved mismatch i felles-modus gevinst av de to inngangs op-amps. Å skaffe svært motsatte motstander er en betydelig vanskelighet ved å lage disse kretsene, og det er å optimalisere ytelsen i vanlig modus. ${\ displaystyle R_ {2}/R_ {3}}$

En instrumenteringsforsterker kan også bygges med to op-forsterkere for å spare kostnader, men gevinsten må være høyere enn to (+6 dB).

Instrumenteringsforsterkere kan bygges med individuelle op-forsterkere og presisjonsmotstander, men er også tilgjengelig i integrert kretsform fra flere produsenter (inkludert Texas Instruments , Analog Devices , Linear Technology og Maxim Integrated Products ). En IC instrumenteringsforsterker typisk inneholder nært tilpasset laser-trimmet motstander, og derfor har utmerket avvisning felles-modus. Eksempler inkluderer INA128 , AD8221 , LT1167 og MAX4194 .

Instrumenteringsforsterkere kan også utformes ved hjelp av "indirekte strøm-tilbakemeldingsarkitektur", som utvider driftsområdet til disse forsterkerne til den negative strømforsyningsskinnen, og i noen tilfeller den positive strømforsyningsskinnen. Dette kan være spesielt nyttig i enkeltforsyningssystemer, der den negative kraftskinnen ganske enkelt er kretsjord (GND). Eksempler på deler som bruker denne arkitekturen er MAX4208/MAX4209 og AD8129/AD8130 .

Typer

Feedbackfri instrumentforsterker

Feedback-fri instrumenteringsforsterker er differensialforsterkeren med høy inngang-impedans designet uten det eksterne tilbakemeldingsnettverket. Dette tillater reduksjon i antall forsterkere (en i stedet for tre), redusert støy (ingen termisk støy blir forårsaket av tilbakemeldingsmotstandene) og økt båndbredde (ingen frekvenskompensasjon er nødvendig). Kobberstabiliserte (eller nulldrift) instrumenteringsforsterkere som LTC2053 bruker en koblingsinngangsfront for å eliminere DC- offsetfeil og drift.

Se også

• Isolasjonsforsterker
• Driftsforsterkerapplikasjoner

Referanser

Eksterne linker

• Interaktiv analyse av instrumenteringsforsterkeren
• Opamp instrumenteringsforsterker
• Instrumenteringsforsterkeren
• Leksjoner i elektriske kretser - bind III - instrumenteringsforsterkeren
• En praktisk gjennomgang av felles modus og instrumenteringsforsterkere
• Instrumenteringsforsterkeren
• A Designer's Guide to Instrumentation Amplifiers (3. utgave)
• Three er en mengde for instrumenteringsforsterkere
• Instrumenteringsforsterkerløsninger, kretser og applikasjoner
• Fixed-gain CMOS differensialforsterkere uten ekstern tilbakemelding for et bredt temperaturområde (Cryogenics)