Instrumentförstärkare

Vid konstruktion av mätsystem stöter man ofta på ungefär samma problem vid upprepade tillfällen. Ett av de vanligaste problemen är själva ingångssteget till mätsystem, ingångssteget bestämmer viktiga egenskaper för hela systemet. I många fall krävs här en högklassig förstärkare som uppfyller höga krav på bla brusnivå, inimpedans och hög undertryckning av likfasiga signaler(CMRR). Konstruktionen av en sån förstärkare är lite svår att bygga men inte allt för ovanlig. Därför har många komponenttillverkare utvecklat en speciell krets för denna tillämpning. En sådan förstärkare som är speciellt konstruerad för att uppfylla vissa krav på hög inimpedans, hög CMRR och låg brusnivå kallas instrumentförstärkare. Det som skiljer en instrumentförstärkare från en vanlig OP är att instrumentförstärkaren är avsedd för en viss speciell applikation, nämligen att förstärka en spänningsskillnad mellan två punkter och sedan lämna en förstärkt kopia av denna spänningsskillnad. En OP är en universiell byggsten som kan användas i vilken tillämpning som helst. Instrumentförstärkarens viktigaste uppgift är i allmänhet att undertrycka störningar och dess viktigaste egenskap är oftast dess CMRR och dess ingångsbrus.

I allmännhet är det förstärkarens CMRR som är den viktigaste punkten. CMRR beror främst på hur noggrannt motstånden balanseras R1/R2 =R3/R4 För 60 db CMRR krävs ung. 0.1% nogrannhet. Balansen beror dessutom på källimpedansen eftersom denna hamnar i serie med endera R1 eller R2

 

Så här ser grunden till en instrumentförstärkare ut:

Kopplingen kallas differentialsteg. En enkel analys av kopplingen: Signalen på + ingången förstärks och ges ut på utgången, signalen på - ingången förstärks, fasvänds och ges ut på utgången. Om man sedan slår ihop dessa signaler så får man skillnaden mellan källsignalerna.

Men denna koppling är som sagt bara grunden till en färdig instrumentförstärkare, det finns några nackdelar som gör att kopplingen behöver bättras på en aning.




Instrumentförstärkare: Treförstärkarkoppling

Instrumentförstärkare: Treförstärkarkoppling

 

För att bli av med de nackdelar som den enkla differentialförstärkaren har använder man sig ofta av en koppling, som visas i figuren nedan, med tre OP-förstärkare vilka är kopplade som ett par ickeinverterandeförstärkare. Detta för att bli av med den låga inimpedansen som annars uppkommer i kretsen och därmed blir inverkan från eventuella källimpedanser obetydliga. Vidare kan samtliga resistanser ha relativt låga värden, vilket medför kapacitiv obalans och därmed hög CMRR (Common Mode Rejection Ratio) även vid högre frekvenser. Ytterligare fördelar är att vi slipper yttre resistanser i serie med signalkällan och därmed en del problem med brus och offsetspänningar. Instrumentförstärkaren i figuren förstärker alltså enbart skillnadssignalen och bryr sig inte om CM-signalen, vilket kommer att visas matematiskt senare.

 

 

 

I den beskrivna kretsen fungerar de två första operationsförstärkarna dels som impedansomvandlare och dels som differentialförstärkare. Förstärkningen ställs in med R1 som kan vara en extern komponent i många fall. Kravet på matchning av resistorerna R3 och R4 samt R5 och R6 är stort, därför att olikheter i förstärkningen hos de två första OP-förstärkarna medför sämre CM-undertryckning. Fler nackdelar med denna koppling är att två OP på ingången kan medföra dubblerade värden både på offsetspänning och drift om inte förstärkarna matchas ordentligt. Men det är dock fördelarna som överväger och de flesta instrumentförstärkarna byggs enligt denna princip.

 

 

 

 

 

 

 

Några matematiska ekvationer:

 

Vout1 = (1+R2a/R1)V1 – (R2a/R1)V2 + VCM

Vout2 = (1+R2b/R1)V2 – (R2b/R1)V1 + VCM

Vout   = Vout2 – Vout1 

Vout   = (1+R2b/R1+ R2a/R1)Vin2 – (1+R2b/R1+ R2a/R1)Vin1 + VCM – VCM.

 

 

Vilket medför att Common Mode signalerna tar ut varandra och kvar har vi bara :

 

Vout = 1(Vout2-Vout1) = (1+2R/R1)(Vout2-Vout1)

 

Alltså förstärkningen visas i den första parantesen (som oftast är lika med ett) och differansen i den andra.