Wann ist es ein Instrumentenverstärker (In-Amp) und kein Operationsverstärker (Op-Amp)?

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Ich habe eine Reihe verschiedener Konfigurationen für Instrumentenverstärker gesehen, darunter 2 Opamp-Versionen. Dies

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ist auch eins. Es ist jedoch nur ein Differenzverstärker, dem Eingangspuffer vorangestellt sind. Wann nennst du es einen Instrumentenverstärker, mit anderen Worten, was ist so besonders daran, dass es einen eigenen Namen verdient?

Federico Russo
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Gute Frage. Schätzen Sie die Antwort von Zebonauten. Immerhin scheint es eine gute Ausrede für das Vendor-Marketing zu sein, den Designern, die in den meisten Apps absolut keine wirkliche Notwendigkeit haben, noch ein paar Bedenken zu machen.

Antworten:

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"Ein Instrumentenverstärker ist ein Präzisions-Differenzspannungsverstärker [...]." Eines der wichtigsten Wörter hier ist "Gewinn". Ein OpAmp hat (theoretisch) eine unendliche Verstärkung und kann nur durch Hinzufügen von Schaltkreisen um ihn herum eine definierte Verstärkung erzielen. In der Regel verliert bei Verwendung nur eines Operationsverstärkers mindestens einer der Eingänge seine extrem hohe Eingangsimpedanz, da externe Widerstände erforderlich sind.

Wenn Sie zwei (differentielle) Eingänge mit sowohl einer sehr hohen Eingangsimpedanz als auch einer definierten Verstärkung benötigen , können Sie den Zwei-OpAmp-InAmp verwenden, von dem Sie sprechen, oder die Drei-OpAmp-InAmp-Konfiguration, die Ihr Bild zeigt. Es gibt auch fertige IC InAmps von Unternehmen wie Linear Technology oder Analog Devices.

Die Drei-OpAmp-InAmp-Schaltung in der Abbildung Ihrer Frage zeigt, dass zwei OpAmps als Puffer verwendet werden, bei denen sie an ihren ansonsten nicht verbundenen nicht invertierenden Eingangspins ("+") immer noch eine hohe Impedanz aufweisen. Durch Einspeisen ihrer Ausgänge in einen anderen OpAmp wird der obere nicht invertierende Eingang ("+") zu einem invertierenden Eingang ("-"), da er mit dem invertierenden Eingang ("-") des dritten OpAmp verbunden ist. Der untere nicht invertierende Eingang ("+") bleibt aufgrund seiner Verbindung mit dem 3. Operationsverstärker nicht invertierend.

Gängige Drei-OpAmp-InAmps verwenden eine etwas andere Konfiguration als Ihr Bild, um die Verstärkung mit nur einem Widerstand einzustellen (der externe Verstärkungswiderstand bei vollständig integrierten InAmps). Bitte beachten Sie die Links, die ich für weitere Details zur Verfügung gestellt habe.

Mit dem Three-OpAmp-InAmp erhalten Sie sowohl eine sehr hohe Eingangsimpedanz an zwei Differenzeingängen (während Sie mit einem normalen OpAmp-Puffer nur einen Eingang mit einer so hohen Eingangsimpedanz erhalten würden) als auch eine sehr gute Unterdrückung von Common-Impedanz. Modus - Signale (die mit einem OpAmp auch erreichbar ist, aber auf Kosten der Verringerung der Eingangsimpedanz mit den Widerständen Sie verwenden, um die OpAmp in einen Differenzverstärker zu drehen).

Die Zwei-OpAmp-InAmp-Schaltung benötigt weniger Teile, jedoch auf Kosten eines nicht so guten Gleichtakt-Unterdrückungsverhältnisses (CMRR).

Hier ist ein Link zu einem sehr guten Buch über InAmps von Charles Kitchin und Lew Counts von Analog, in dem Sie sich eingehender mit all diesen Themen befassen können.

Zebonaut
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Wie erhöht der Aufbau in Federicos Schema die CMRR gegenüber einem einfachen Differenzverstärker?
Stevenvh
@ Stevenvh: Das tut es nicht. Ich habe gerade versucht, meine Formulierung zu präzisieren, um diese Information aufzunehmen. Das Setup fügt den Eingängen des Differenzverstärkers mit hohem CMRR eine hohe Z-Eigenschaft hinzu.
Zebonaut
@ stevenvh: Für die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen müssen die Widerstände sehr gut abgestimmt sein. Wenn man einen monolithischen Instrumentenverstärker mit eingebauten Widerständen verwendet, kann die Widerstandsanpassung besser sein, als dies mit diskreten Verstärkern und Widerständen ohne weiteres erreichbar wäre. Um nicht zu sagen, dass Geräte, die diskrete Teile verwenden, nicht sehr genau hergestellt werden können, aber monolithische Teile können kostengünstig Präzisionsniveaus bereitstellen, die viel Arbeit (und möglicherweise eine Kalibrierung einzelner Einheiten) mit diskreten Teilen erfordern würden.
Supercat
schöner Fund. Auch ich hatte den Verdacht und immer noch den Verdacht, dass es ein bisschen ein Marketing-Name oder ein Trick ist, um mehr Opamps zu verkaufen
+1 Das Buch A DESIGNER'S GUIDE TO INSTRUMENTATION AMPLIFIERS (3. AUFLAGE) von Charles Kitchin und Lew Counts ist eine sehr gute Lektüre. IMHO lohnt sich ein Blick auf die ersten Kapitel, auch für einen "digitalen Typ". Vielen Dank.
gbulmer
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Ich stimme dem zu, was Zebonaut gesagt hat, aber hier sind meine Kriterien, um ein "Instrumentenverstärker" zu sein:

  • Der Gewinn muss endlich und bekannt sein. Manchmal ist die Verstärkung fest, wie 10x oder 100x. Andere Geräte erlauben eine Auswahl von voreingestellten Verstärkungen oder Sie stellen einen Widerstand oder etwas zur Verfügung, das die Verstärkung einstellt.

  • Die Eingänge sind differentiell. Die Gleichtaktunterdrückung ist normalerweise sehr gut, im Allgemeinen viel besser als mit einem Opamp und diskreten Teilen.

  • Die Eingänge sind hochohmig. Sie können einen Differenzverstärker aus einem einzelnen Operationsverstärker herstellen, aber dann sind die Eingänge nicht mehr hochohmig, und einer von ihnen wird teilweise mit dem Signal des anderen angesteuert.

  • Dies ist alles in einem integrierten Paket, wenn es als "Instrumentenverstärker" -Chip verkauft wird.

Olin Lathrop
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ist das letzte Kriterium erforderlich? Dadurch würde mein Schaltplan (und viele andere, auf die ich gestoßen bin) nicht zu InAmps.
Federico Russo
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@Fedrico Ja das war ein bisschen irreführend. Sie können einen Instrumentenverstärker aus anderen Teilen selbst herstellen. Ich habe meinen Beitrag bearbeitet.
Olin Lathrop
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Instrumentenverstärker im Chip verhalten sich unterschiedlich und können zweipolige / JFET-Transistoreingangsstufen aufweisen, um eine hohe Verstärkung zu erzielen. Der JFET / Bipolair unterscheidet sich, ob Spannungs- oder Stromrauschen wichtiger ist. Der Gewinn in diesem Teil ist der höchste. Die Endstufe (Differenzverstärker) wäre ähnlich. Zu bemerken ist, dass monolithische Lösungen viel präziser sind: sehr hohe Verstärkung (bis zu 10000x können gekauft werden), geringeres Rauschen, höhere CMRR und kleineres Layout auf einer Platine.
Hans
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Ein idealer Operationsverstärker hat eine unendliche Eingangsimpedanz und eine unendliche Verstärkung . Durch Rückkopplung können Sie die Verstärkung auf einen realistischen Wert einstellen, dies geht jedoch zu Lasten der hohen Eingangsimpedanz. Ein Instrumentenverstärker (Inamp) ist ein Differenzverstärker, der dieses Problem löst.
Es gibt verschiedene Instrumentenverstärkerkonfigurationen. Diese ist wahrscheinlich am einfachsten zu verstehen:

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×ΩΩ

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RGEINichN

VOUT=(1+2RRGEINichN)×(V2-V1)

stevenvh
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Ein Instrumentenverstärker ist ein Gerät, das einen Ausgang liefert, der proportional zur Spannungsdifferenz zwischen zwei hochohmigen Eingängen ist. Ein Operationsverstärker ist ein Gerät, das versucht, einen Ausgang zu erhalten, der den Unterschied zwischen zwei (normalerweise hochohmigen) Eingängen zu Null macht. Es ist möglich, einen Operationsverstärker und einige Widerstände zu verwenden, um eine Schaltung aufzubauen, die einen Ausgang erzeugt, der proportional zur Differenz zwischen zwei NICHT-HOCHIMPEDANZ-Eingängen ist. Es ist auch möglich, einen Operationsverstärker zu verwenden, um einen niederohmigen Ausgang zu erzeugen, der einem hochohmigen Eingang entspricht. Ein Instrumentenverstärker ähnelt konzeptionell einem Paar von Operationsverstärkern, die hochohmige Eingangssignale in niederohmige Ausgänge umwandeln und in einen dritten Operationsverstärker einspeisen, der dann einen Ausgang erzeugt, der proportional zur Differenz zwischen diesen gepufferten Signalen ist. In der Praxis,

Superkatze
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