Instrumentenverstärker

Ein Instrumentenverstärker^[1] oder Instrumentierungsverstärker (engl. instrumentation amplifier oder InAmp) ist eine besonders präzise Operationsverstärker-Schaltung mit sehr hochohmigen (typ. 1 GΩ) Eingängen. Sie ist auch komplett als integrierter Schaltkreis mit fix eingebauten und werksseitig getrimmten Widerständen erhältlich.

Instrumentenverstärker zeichnen sich durch ein besonders hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (engl.: CMRR − common mode rejection ratio) sowie geringe Eingangs-Offset-Spannungen aus.

Funktion

Der Verstärkungsfaktor mittels Gegenkopplung ist bei integrierten Instrumentenverstärkern – anders als bei gewöhnlichen Operationsverstärkern (OP) – durch interne, getrimmte Widerstände in gewissen Bereichen vordefiniert. Bei manchen Typen kann die Verstärkung zusätzlich durch externe Widerstände in bestimmten Grenzen variiert werden. Der Instrumentenverstärker kann auch mittels einzelner Operationsverstärker diskret aufgebaut werden – das erfordert allerdings die Verwendung sehr genauer und aufeinander abgeglichener Widerstände mit guter thermischer Kopplung. Aufgrund dieser Schwierigkeiten werden Instrumentenverstärker meist in Form von integrierten Schaltungen eingesetzt.

Wegen der hohen Gleichtaktunterdrückung gegenüber eingekoppelten Streufeldern, wie zum Beispiel des Stromnetzes, werden Instrumentenverstärker in Messgeräten zur Aufzeichnung von EKG- und EEG-Ableitungen als Messwertverstärker eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Eingangsimpedanz eignen sie sich auch zur Verstärkung von Spannungssignalen von hochohmigen Sensoren, die fast stromlos zu messen sind, wie beispielsweise bei einem pH-Meter oder Piezokeramik-Sensoren. Sie werden auch eingesetzt, wo eine geringe Offsetspannung der Eingänge erforderlich ist, beispielsweise als Messverstärker an Dehnungsmessstreifen oder bei Thermoelementen.

Aufgrund ihrer geringen Bandbreite sind Instrumentenverstärker nur bedingt bei höheren Frequenzen einsetzbar.

Schaltungsvarianten

Drei OPVs

Schaltung eines Instrumentenverstärkers mit drei OPs

Die bekanntere Instrumentenverstärker-Schaltung besteht aus drei Operationsverstärkern (OP), wobei die ersten beiden als Verstärkerstufen arbeiten und der dritte als Subtrahierer geschaltet ist und die Gleichtaktunterdrückung realisiert.

Die Ausgangsspannung U_a als Funktion der Eingangs-Spannungsdifferenz der Schaltung mit drei OPs beträgt:

$U_a = \left (1 + {2 R \over R_\mathrm{gain}} \right ) \cdot {R_3 \over R_2} \cdot (U_2 - U_1)$

Die Gleichtaktunterdrückung hängt von der präzisen Übereinstimmung des Verhältnisses der beiden Widerstände R3 und R2 zueinander ab. Diese müssen daher sehr genau und besonders driftarm sein. In integrierten Schaltungen weisen sie naturgemäß eine ähnliche Drift auf, da sie thermisch gekoppelt sind und mit der gleichen Technologie gefertigt wurden - ein Vorteil der Integration. Die Widerstände in integrierten Instrumentenverstärker-Schaltungen werden werksseitig abgeglichen, was den gegenüber gewöhnlichen Operationsverstärkern höheren Preis verursacht. Zur Änderung der Verstärkung wird ausschließlich R_gain benutzt, dessen Anschlüsse daher oft von außen zugänglich sind.

Zwei OPVs

Schaltung eines Instrumentenverstärkers mit zwei OPs

Eine weitere Instrumentenverstärker-Schaltung besteht aus nur zwei Operationsverstärkern, wie in nebenstehender Abbildung skizziert. Funktionell ist sie gleich zu der Schaltung mit drei Operationsverstärkern, stellt allerdings höhere Ansprüche an die Offseteigenschaften der eingesetzten Operationsverstärker und ist bei der Gleichtaktunterdrückung in Praxis meist etwas schlechter. Der Vorteil ist der geringere Schaltungsaufwand.

Auch bei der Schaltung mit zwei Operationsverstärkern müssen die Widerstandspaare mit gleicher Bezeichnung möglichst gleiche Werte aufweisen. Bei dieser Instrumentenverstärkerschaltung führen Abweichungen dazu, dass sich die Gleichtaktunterdrückung verschlechtert.

Die Verstärkung wird auch in der Schaltung mit zwei OPs mit nur einem Widerstand R_gain eingestellt. Die Ausgangsspannung U_a ist bei abgeglichenen Widerständen gegeben als:

$U_a = \left (1 + {R_2 \over R_1} + {2 R_2 \over R_\mathrm{gain}} \right ) \cdot (U_2 - U_1)$

Bei allen Schaltungsvarianten muss zur Festlegung der Verstärkung nur ein Widerstandswert R_gain geändert werden, was einen besonderen Vorteil aller Instrumentenverstärker-Schaltungen darstellt.

Beispiele integrierter Instrumentierungsverstärker

• AD620 Datenblatt (en)
• AD624 Datenblatt (en)(pdf)
• INA111Datenblatt (en)(pdf)
• INA114 Datenblatt (en)
• INA116 (sehr hochohmig ~3fA input bias!) Datenblatt (en)

Literatur

• Walter G. Jung (Editor): OP AMP Applications. Firmenschrift Analog Devices, 2002, ISBN 0-916550-26-5 (Online).
• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.
• Analog Devices: A Designers Guide to Instrumentation Amplifiers. (ASIN B003U4NUPA).

Weblinks

• Analog Devices-Instrumentenverstärker
• Echter Differenzverstärker I
• Anwendungsbeispiel

Fußnote

1. ↑ Diese Bezeichnung ist missverständlich da sie auch für elektrische Musikinstrumente verwendet wird, siehe Gitarrenverstärker.