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Instrumentenverstärker verstehen: Der Diamond Plot

| Autor / Redakteur: Christoph Kämmerer * / Kristin Rinortner

(Bild: Sabina Ehnert)

Mit dem Werkzeug „Instrumentation Amplifier Diamond Plot“ lässt sich das Geheimnis des Diamond Plots lüften. Online zugänglich, mit einfacher Benutzeroberfläche, ermöglicht es die Auswahl und Evaluation einzelner Instrumentenverstärker, aber auch den Aufbau komplizierterer Schaltungen.

Instrumentenverstärker sind aufgrund ihrer hervorragenden Verstärkerqualität Bestandteil verschiedener Applikationen, wie beispielsweise Druck- oder Temperaturmessungen. Ihre Hauptaufgabe besteht in der Signalverstärkung und Impedanzanpassung. Zusätzlich verfügen sie meist über einen Spannungsreferenzeingang, welcher eine Verschiebung der Spannung am Ausgang hervorruft.

Somit erhält man eine einfache und sehr präzise Methode, ein Signal auf einen gewünschten Pegel zu bringen, wodurch beispielsweise der Eingangsbereich eines A/D-Wandlers komplett ausgenutzt werden kann und dadurch eine höhere Genauigkeit ermöglicht wird. Ein weiterer entscheidender Vorteil des Instrumentenverstärkers ist die im Allgemeinen hohe Gleichtaktunterdrückung und die somit einhergehende hohe Präzision bei stärkeren Gleichspannungssignalen.

Bild 1: Blockschaltbild eines typischen Instrumentenverstärkers
Bild 1: Blockschaltbild eines typischen Instrumentenverstärkers (Bild: Analog Devices)

In Bild 1 sieht man das Blockschaltbild eines typischen Instrumentenverstärkers, aufgebaut aus drei Operationsverstärkern. Der hier abgebildete AD8421 findet aufgrund seiner universell anwendbaren Eigenschaften in verschiedenen Applikationen Verwendung.

Bei der Benutzung von Instrumentenverstärkern ist jedoch zu beachten, dass der maximal mögliche Aussgangsspannungsbereich nicht nur von der Verstärkung, dem Eingangssignal – Gleichtakt oder differentiell – und der Versorgungsspannung, sondern auch von den Limitierungen der Architektur abhängig ist. Bei der Drei-Operationsverstärker-Technik moduliert die erste Stufe jeweils das Signal des positiven und negativen Eingangs mit der eingestellten Verstärkung. In der Ausgangsstufe, dem Subtraktor, wird aus beiden das Ausgangssignal mit Berücksichtigung der Referenzspannung gebildet.

Basierend auf dieser internen analogen Berechnung können verschiedene Faktoren zur internen Übersättigung führen und somit den maximalen Arbeitsbereich einschränken. Diese Faktoren sind z.B. eine zu hohe Referenzspannung oder eine zu kleine Versorgungsspannung bei einem zu großen Eingangssignal.

Da die Ausgangsspannung und der Arbeitsbereich eine Funktion der maximalen Eingangsspannung, der Verstärkung, der Referenzspannung und den Limitierungen der Architektur sind, lassen sich beide nur aufwändig bestimmen. Trägt man diese Faktoren in Abhängigkeit zueinander auf, ergibt sich zumeist eine diamantenförmige Kurve, der sogenannte „Diamond Plot“. Die Fläche unter dieser Kurve gibt den möglichen Arbeitsbereich vor. Rechenaufwändig wird dieser vor allem, wenn es verschiedene Eingänge und Ausgänge gibt.

Das Werkzeug „Instrumentation Amplifier Diamond Plot“ wurde als Onlinetool von Analog Devices für diese Art Berechnungen entwickelt. Es berechnet automatisch Diamond Plots für mögliche Einstellungen der Referenz, Eingangsspannung sowie Verstärkung für ein gewünschtes Ausgangssignal. Anhand der grafischen Darstellung lassen sich Arbeitsbereich sowie mögliche Parameterkombinationen für das jeweilige Ausgangssignal einfach ablesen. Das Tool enthält die Spezifikationen für alle von Analog Devices entwickelten Instrumentenverstärker und ermöglicht so eine schnelle und einfache Bedienung.

Die Benutzeroberfläche des „Instrumentation Amplifier Diamond Plot“

Bild 2 zeigt die Benutzeroberfläche des Online-Tools, welches aus drei Fenstern besteht. Im ersten Fenster lassen sich die Parameter eingeben und der Diamond Plot berechnen und anzeigen (Bild 2a).

Bild 2: Benutzeroberfläche des Online-Tools
Bild 2: Benutzeroberfläche des Online-Tools (Bild: Analog Devices)

Mögliche Parameter sind das Eingangssignal, die Verstärkung , die Versorgungsspannung und die Referenzspannung. Das Eingangssignal kann dabei entweder differentieller Natur sein oder aus einem Gleichtaktsignal bestehen. Zusätzlich zum möglichen Arbeitsbereich zeigt der Diamond Plot auch die Limitierung des entsprechenden Verstärkers an und unterscheidet zwischen Eingangs- Ausgangs- und internen Begrenzungen. So ist es möglich, den Spielraum zu den Belastungsgrenzen abzuschätzen. Generell gilt, den Verstärker nicht zu nahe an den Plotgrenzen zu betreiben.

Im zweiten Menüpunkt ermöglicht das Tool einen Blick ins Innere des Instrumentenverstärkers, indem es die Schaltung detailliert anzeigt (Bild 2b). Hier ist es möglich, auf die interne Struktur und die wichtigsten technischen Details des Instrumentenverstärkers zuzugreifen und die jeweiligen Spannungen abzulesen.

Dies ist vor allem wichtig, wenn es zu Evaluierung möglicher Fehleinstellungen kommt. Das Online-Tool stellt dafür einen Kontrollmodus zur Verfügung, der die Realisierbarkeit der gewählten Einstellungen bewertet, diese Einschätzung begründet und eventuell, wenn möglich, passendere Alternativen vorschlägt (Bild 2c).

* Christoph Kämmerer arbeitet als Applikationsingenieur bei Analog Devices in München.

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