Was ist ein Instrumentenverstärker?
Instrumentenverstärker sind Verstärker, deren Hauptzweck darin besteht, sehr schwache Signale von verschiedenen Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen und Druckaufnehmern, zu erfassen und mit hoher Präzision zu verstärken.
Sie werden auch als Instrumentenverstärker bezeichnet, weil sie über Verstärkerschaltungen verfügen, die für die Verstärkung verschiedener Sensorsignale zur Messung von Druck und Temperatur in Produktionsanlagen und -einrichtungen optimiert sind. Eine andere Bezeichnung ist Instrumentenverstärker.
Übliche Operationsverstärker und Instrumentenverstärker haben auch unterschiedliche Verstärkungseinstellungen. Im Vergleich zu Operationsverstärkern zeichnen sich Instrumentenverstärker durch ein sehr hohes Maß an Präzision aus, da die Verstärkung innerhalb eines bestimmten, engen, vordefinierten Bereichs gewählt wird.
Anwendungen von Instrumentenverstärkern
Instrumentenverstärker werden zur Erfassung und zuverlässigen Verstärkung von Signalen verschiedener Sensoren wie z. B. Dehnungsmessstreifen eingesetzt. Sie werden häufig in industriellen Messanwendungen eingesetzt, z. B. um den Betrieb von Sensorparametern zu optimieren, indem die Eigenschaften von Instrumentenverstärkern genutzt werden, um die von verschiedenen Sensoren erfassten schwachen Signale mit geringem Rauschen zu verstärken.
Weitere Anwendungen sind Motorsteuerung, Fahrzeugausrüstung und Datenerfassungsgeräte.
Funktionsweise der Instrumentenverstärker
Instrumentenverstärker haben Differenzeingänge und unsymmetrische Verstärkerausgänge, um das Eingangsrauschen zu unterdrücken. Ein besonderes Merkmal dieser Verstärker ist, dass sie mit dem Ziel arbeiten, ein großes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis, das so genannte CMR, zu gewährleisten.
Im Vergleich zu Operationsverstärkern werden Verstärker, die speziell für eine bestimmte Funktion entwickelt wurden, für einen bestimmten Zweck eingesetzt. Obwohl sie strukturell mit Operationsverstärkern identisch sind, unterscheiden sie sich in ihrer Funktionsweise. Um hochpräzise Messungen durchführen zu können, muss beispielsweise der Eingangsvorspannungsstrom niedrig gehalten werden und liegt im Allgemeinen in der Größenordnung von Nano-Ampere.
Differenzeingänge bestehen aus zwei Eingangsklemmen und haben aufgrund der Aufrechterhaltung eines symmetrischen Zustands eine hohe Eingangsimpedanz von über mehreren hundert Milliohm, während die Ausgangsimpedanz im Allgemeinen viel niedriger angesetzt ist, bei einigen Milliohm. Außerdem wird die Verstärkung im Betrieb in der Regel mit Hilfe von Widerständen und Klemmen innerhalb eines engen voreingestellten Bereichs gewählt, was den Einsatzbereich auf einen engeren Bereich beschränkt und im Vergleich zu Operationsverstärkern eine geringere Flexibilität bietet, dafür aber eine sehr hohe Genauigkeit mit unterdrückten Schwankungen ermöglicht.
Weitere Informationen zu Instrumentenverstärker
1. Unterschied zwischen Operationsverstärkern und Messverstärkern
Instrumentenverstärker verwenden Operationsverstärker in ihrer Schaltung, aber ihre Behandlung als Schaltung unterscheidet sich stark von derjenigen der Operationsverstärker. Operationsverstärker werden in einer Vielzahl von analogen Schaltungen verwendet, einschließlich integrierenden Schaltungen und Spannungsfolgern, und ihr Hauptmerkmal ist eine externe Rückkopplungsschleife vom Ausgang zum Eingang.
Diese Rückkopplungsschleife ist einer der Gründe für die Vielseitigkeit des Operationsverstärkers in verschiedenen Anwendungen, und ihr Aufbau bestimmt die Eigenschaften des Verstärkers als Ganzes. Instrumentenverstärker verfügen jedoch nicht über diese externe Rückkopplungsschleife vom Ausgang zum Eingang. Obwohl sie zwei oder drei Operationsverstärker enthalten, handelt es sich bei Instrumentenverstärkern um Verstärker, die aufgrund ihrer Schaltungsstruktur auf die Aufgaben der Differenzverstärkung und der Gleichtaktunterdrückung ausgerichtet sind.
Im Gegensatz zu normalen Operationsverstärkern können Instrumentenverstärker daher auch schwache Signale von Sensoren wie Dehnungsmessstreifen verarbeiten.
2. Integration in Sensor-ASICs
Obwohl einige Hersteller Instrumentenverstärker als diskrete Verstärker handhaben, werden die meisten von ihnen sehr häufig in Paaren mit Wheatstone-Brückenschaltungen wie Druckwandlern verwendet, die durch Sensor-ASICs repräsentiert werden. Sie werden als Teil von ASIC-Schaltungen (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) zur Steuerung von Drucksensoren und dergleichen eingesetzt.
Ursprünglich lässt sich der Instrumentenverstärker selbst leichter monolithisch in einen IC integrieren als in eine Platine mit diskreten Bauelementen, da es einfacher ist, die Eigenschaften der Verstärkertransistoren und die Verhältnisse der Widerstandspaare zu gewährleisten und die Eigenschaften des Instrumentenverstärkers zu extrahieren.
Darüber hinaus kann der ASIC zur Kompensation verschiedener Parameter, wie z. B. der Temperaturkompensation des Sensors, verwendet werden und ist auch mit der Integration einer digitalen Schnittstelle kompatibel, die ihn mit einem Mikrocontroller verbindet, wodurch er sich für die Miniaturisierung und Anwendungen mit hohem Mehrwert eignet.