- Was ist ein Instrumentenverstärker-IC?
- Grundlegendes zum Instrumentenverstärker
- Unterschied zwischen Differenzverstärker und Instrumentenverstärker
- Instrumentenverstärker mit Operationsverstärker (LM358)
- Simulation eines Instrumentenverstärkers
- Testen der Instrumentenverstärkerschaltung auf Hardware
Fast alle Arten von Sensoren und Wandlern wandeln reale Parameter wie Licht, Temperatur, Gewicht usw. in Spannungswerte um, damit unsere elektronischen Systeme dies verstehen. Die Variation dieses Spannungspegels hilft uns bei der Analyse / Messung der realen Parameter. In einigen Anwendungen wie biomedizinischen Sensoren ist diese Variation jedoch sehr gering (Signale mit niedrigem Pegel) und es ist sehr wichtig, auch die winzigen Abweichungen zu verfolgen zuverlässige Daten erhalten. In diesen Anwendungen wird ein Instrumentenverstärker verwendet.
Ein Instrumentenverstärker, auch bekannt als INO oder In-Ampere, verstärkt, wie der Name schon sagt, die Spannungsschwankung und liefert wie jeder andere Operationsverstärker einen Differenzausgang. Im Gegensatz zu einem normalen Verstärker haben die Instrumentierungsverstärker jedoch eine hohe Eingangsimpedanz mit guter Verstärkung und bieten gleichzeitig eine Gleichtakt-Rauschunterdrückung mit vollständig differentiellen Eingängen. Es ist in Ordnung, wenn Sie es jetzt nicht bekommen. In diesem Artikel lernen wir diese Instrumentenverstärker kennen. Da diese ICs relativ teuer als Operationsverstärker sind, lernen wir auch, wie man einen normalen Operationsverstärker wie LM385 oder LM324 verwendet, um einen zu bauen Instrumentenverstärker und verwenden Sie es für unsere Anwendungen. Operationsverstärker können auch zum Aufbau eines Spannungsaddierers und einer Spannungssubtrahiererschaltung verwendet werden.
Was ist ein Instrumentenverstärker-IC?
Abgesehen von normalen Operationsverstärker-ICs haben wir einen speziellen Verstärkertyp für Instrumentenverstärker wie den INA114-IC. Es sind nichts weiter als wenige normale Operationsverstärker, die für bestimmte Anwendungen kombiniert werden. Um mehr darüber zu erfahren, schauen wir im Datenblatt des INA114 nach seinem internen Schaltplan.
Wie Sie sehen können, nimmt der IC zwei Signalspannungen V IN - und V IN + auf. Betrachten wir sie zum besseren Verständnis ab sofort als V1 und V2. Die Ausgangsspannung (V O) kann anhand der Formeln berechnet werden
V O = G (V2 - V1)
Wobei G die Verstärkung des Operationsverstärkers ist und mit dem externen Widerstand R G eingestellt und mit den folgenden Formeln berechnet werden kann
G = 1+ (50 kΩ / RG)
Hinweis: Der Wert 50 kOhm gilt nur für den INA114-IC, da er Widerstände von 25 k verwendet (25 + 25 = 50). Sie können den Wert jeweils für andere Schaltkreise berechnen.
Wenn Sie es sich also ansehen, liefert ein In-Amp nur die Differenz zwischen zwei Spannungsquellen mit einer Verstärkung, die durch einen externen Widerstand eingestellt werden kann. Kommt Ihnen das bekannt vor? Wenn nicht, schauen Sie sich das Design des Differenzverstärkers an und kommen Sie zurück.
Ja!, Genau das macht ein Differenzverstärker, und wenn Sie genauer hinschauen, können Sie sogar feststellen, dass der Operationsverstärker A3 im obigen Bild nichts anderes als eine Differenzverstärkerschaltung ist. Für Laien ist ein Instrumentenverstärker eine weitere Art von Differenzverstärker, jedoch mit weiteren Vorteilen wie hoher Eingangsimpedanz und einfacher Verstärkungsregelung usw. Diese Vorteile sind auf die beiden anderen Operationsverstärker (A2 und A1) im Design zurückzuführen. Wir werden in der nächsten Überschrift mehr darüber erfahren.
Grundlegendes zum Instrumentenverstärker
Um den Instrumentenverstärker vollständig zu verstehen, teilen wir das obige Bild wie unten gezeigt in sinnvolle Blöcke auf.
Wie Sie sehen können, ist der In-Amp nur eine Kombination aus zwei Puffer-Operationsverstärkerschaltungen und einer Differenzial-Operationsverstärkerschaltung. Wir haben beide Operationsverstärker-Designs einzeln kennengelernt. Jetzt werden wir sehen, wie sie zu einem differenziellen Operationsverstärker kombiniert werden.
Unterschied zwischen Differenzverstärker und Instrumentenverstärker
In unserem vorherigen Artikel haben wir bereits gelernt, wie man einen Differenzverstärker entwirft und verwendet. Ein paar wesentliche Nachteile des Differenzverstärkers bestehen darin, dass er aufgrund der Eingangswiderstände eine sehr niedrige Eingangsimpedanz und aufgrund der hohen Gleichtaktverstärkung ein sehr niedriges CMRR aufweist. Diese werden in einem Instrumentenverstärker aufgrund der Pufferschaltung überwunden.
Auch in einem Differenzverstärker müssen viele Widerstände geändert werden, um den Verstärkungswert des Verstärkers zu ändern. In einem Differenzverstärker können wir die Verstärkung jedoch steuern, indem wir einfach einen Widerstandswert einstellen.
Instrumentenverstärker mit Operationsverstärker (LM358)
Lassen Sie uns nun einen praktischen Instrumentenverstärker mit Operationsverstärker bauen und überprüfen, wie er funktioniert. Die von mir verwendete Verstärkerschaltung für Operationsverstärkerinstrumente ist unten angegeben.
Die Schaltung benötigt insgesamt drei Operationsverstärker. Ich habe zwei LM358-ICs verwendet. Der LM358 ist ein Operationsverstärker mit zwei Gehäusen, dh er hat zwei Operationsverstärker in einem Gehäuse, sodass wir zwei davon für unsere Schaltung benötigen. In ähnlicher Weise können Sie auch drei LM741-Operationsverstärker mit einem Gehäuse oder einen LM324-Operationsverstärker mit vier Paketen verwenden.
In der obigen Schaltung wirken die Operationsverstärker U1: A und U1: B als Spannungspuffer, was zum Erreichen einer hohen Eingangsimpedanz beiträgt. Der Operationsverstärker U2: A fungiert als Differenzial-Operationsverstärker. Da alle Widerstände des Differenzial-Operationsverstärkers 10 k betragen, fungiert er als Differenzverstärker mit Einheitsverstärkung, was bedeutet, dass die Ausgangsspannung die Spannungsdifferenz zwischen Pin 3 und Pin 2 von U2: A ist.
Die Ausgangsspannung der Instrumentenverstärkerschaltung kann unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet werden.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Wobei R = Widerstandswert der Schaltung. Hier ist R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, was 10k ist
Rg = Verstärkungswiderstand. Hier ist Rg = R1, was 22k ist.
Der Wert von R und Rg bestimmt also die Verstärkung des Verstärkers. Der Wert der Verstärkung kann berechnet werden durch
Gewinn = (1+ (2R / Rg))
Simulation eines Instrumentenverstärkers
Die obige Schaltung ergibt, wenn sie simuliert wird, die folgenden Ergebnisse.
Wie Sie sehen können, beträgt die Eingangsspannung V1 2,8 V und V2 3,3 V. Der Wert von R ist 10k und der Wert von Rg ist 22k. Setzen Sie alle diese Werte in die obigen Formeln
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2 × 10/22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95 V.
Wir erhalten einen Wert der Ausgangsspannung von 0,95 V, der mit der obigen Simulation übereinstimmt. Die Verstärkung der obigen Schaltung beträgt also 1,9 und die Spannungsdifferenz beträgt 0,5 V. Diese Schaltung misst also grundsätzlich die Differenz zwischen den Eingangsspannungen und multipliziert sie mit der Verstärkung und erzeugt sie als Ausgangsspannung.
Sie können auch feststellen, dass die Eingangsspannung V1 und V2 über dem Widerstand Rg erscheint. Dies ist auf die negative Rückkopplung der Operationsverstärker U1: A und U1: B zurückzuführen. Dies stellt sicher, dass der Spannungsabfall über Rg gleich der Spannungsdifferenz zwischen V1 und V2 ist, wodurch eine gleiche Strommenge durch die Widerstände R5 und R6 fließt, wodurch die Spannung an Pin 3 und Pin 2 am Operationsverstärker U2: A gleich wird. Wenn Sie die Spannung vor den Widerständen messen, können Sie die tatsächliche Ausgangsspannung der Operationsverstärker U1: A und U1: B sehen, deren Differenz der Ausgangsspannung entspricht, wie oben in der Simulation gezeigt.
Testen der Instrumentenverstärkerschaltung auf Hardware
Genug Theorie lässt uns tatsächlich dieselbe Schaltung auf einem Steckbrett bauen und die Spannungspegel messen. Mein Verbindungsaufbau wird unten gezeigt.
Ich habe das Steckbrett-Netzteil verwendet, das wir zuvor gebaut haben. Diese Karte kann sowohl 5 V als auch 3,3 V liefern. Ich benutze die 5V-Schiene, um meine beiden Operationsverstärker und die 3,3V als Signaleingangsspannung V2 zu versorgen. Die andere Eingangsspannung V2 wird mit meinem RPS auf 2,8 V eingestellt. Da ich auch einen 10k-Widerstand für R und einen 22k-Widerstand für R1 verwendet habe, beträgt die Verstärkung der Schaltung 1,9. Die Differenzspannung beträgt 0,5 V und die Verstärkung beträgt 1,9. Das Produkt ergibt 0,95 V als Ausgangsspannung, die mit einem Multimeter gemessen und im Bild angezeigt wird. Die vollständige Funktionsweise der Instrumentenverstärkerschaltung ist in dem unten verlinkten Video dargestellt.
In ähnlicher Weise können Sie den Wert von R1 ändern, um die Verstärkung nach Bedarf mithilfe der oben beschriebenen Formeln einzustellen. Da die Verstärkung dieses Verstärkers sehr einfach mit einem einzigen Widerstand gesteuert werden kann, wird er häufig bei der Lautstärkeregelung für Audiokreise verwendet.
Ich hoffe, Sie haben die Schaltung verstanden und es genossen, etwas Nützliches zu lernen. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese im Kommentarbereich unten oder nutzen Sie das Forum für eine schnellere Antwort.