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Expertenrat Merkwürdige Phänomene beim Einsatz von Instrumentenverstärkern

Frage: Mein Signal befindet sich im spezifizierten Eingangsspannungsbereich des Instrumentenverstärkers, doch anscheinend ist der Ausgang in der Sättigung. Woran liegt das? Ist das Bauteil defekt?

Selten gestellte Fragen
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(Quelle: fotolia)

Antwort: Am 18. Februar 2013 wurde ein spektakulärer und erfolgreicher Diamantenraub innerhalb von fünf Minuten durchgeführt, während ein Flugzeug für den Flug von Brüssel nach Zürich beladen wurde. Ein geschätzter Wert von 350 Millionen Dollar macht diesen Diamantenraub zu einem der größten aller Zeiten. Von Dieben, die als Polizisten verkleidet waren, wurde eine gut durchdachte Handlung schnell und mit hoher Präzision ähnlich wie in einem Hollywood-Film durchgeführt. Die Fluggäste hatten nichts bemerkt, bis man sie zum Verlassen des Flugzeugs aufforderte. Der Raub löste eine internationale Fahndung aus, um die Räuber vor Gericht zu bringen.

Diejenigen, die sich mit Elektronik beschäftigen, müssen sich mit einer anderen Art des „diamond plots“ beschäftigen. Im Englischen kann man mit „diamond plot“ sowohl den oben beschrieben Diamantenraub bezeichnen, wie auch das Rauten-Diagramm, das das Verhältnis der Eingangs-Gleichtaktspannung zur Ausgangsspannung eines Instrumentenverstärkers beschreibt und oft im Datenblatt zu finden ist.

Beim Einsatz von Instrumentenverstärkern beobachten Entwickler oft ein merkwürdiges Phänomen. Das Problem wird manchmal genau als „der Ausgang ist gesättigt“ bezeichnet. Andere Male kann die Beschreibung etwas kryptischer sein und so lauten: „Der Verstärkungsfehler ist sehr hoch“ oder „Der Verstärker ist sehr nichtlinear“. Oder einfach „er arbeitet nicht, wenn er soll“. Bei uns gibt es keinen Ablaufplan, nach dem wir Kundenprobleme lösen. Falls wir jedoch einen hätten, käme „Prüfen Sie den diamond plot“ gleich nach „Schalten Sie das Bauteil ein“.

Falls sich die Betriebsbedingungen innerhalb der Grenzen des „diamond plot“ befinden, sollte das Bauteil einwandfrei arbeiten. Andernfalls wird der Ausgang in Folge von Sättigung interner Knoten ungültig sein.

Für Leser, die mit Instrumentenverstärkern nicht vertraut sind – diese linearen Bauteile verstärken die Spannungsdifferenz zwischen ihren Eingängen unabhängig von der Eingangsspannung relativ zur Versorgungsspannung. Die Eingangs-Gleichtaktspannung – der Durchschnitt der zwei Eingangsspannungen – wird vom Verstärker unterdrückt.

Natürlich ist der Betrieb auf einen limitierten Spannungsbereich begrenzt. Die meisten Entwickler würden diesen unterhalb der Versorgungsspannung erwarten. So ist dies im Allgemeinen kein Problem. Allerdings verschwindet die Gleichtaktspannung nicht einfach, wenn sie in die Schaltung gelangt. Stattdessen wird sie intern vom gewünschten Signal subtrahiert. Dies bedeutet, dass das verstärkte Signal und die Gleichtaktspannung in die Versorgungsspannung passen müssen. Der Mechanismus, mit dem die Gleichtaktspannung subtrahiert wird, hängt von der speziellen Schaltkreistopologie ab. Dies gibt der Kontur eine bestimmte Form. Dies kann ein Oktagon, ein Hexagon oder ein Parallelogramm sein. Die Bezeichnungen „diamond plot“ kann daher etwas unzutreffend sein, doch diese Diagramme liefert dem Schaltungsentwickler nützliche Informationen bezüglich des richtigen Betriebsbereichs, vorgegeben durch Eingangsspannungen, gewünschter Ausgangsspannungshub, Referenzspannung und Versorgungsspannung.

Bild 1. Eingangs-Gleichtaktspannung gegenüber der Ausgangsspannung

Dieses Problem wird größer, wenn mit niedrigen Versorgungsspannungen und Applikationen mit unipolarer Spannung gearbeitet wird, da das Rauten-Diagramm wesentlich kleiner und der Betriebsbereich noch begrenzter wird. Moderne Instrumentenverstärker wie die Modelle AD8226, AD8227, AD8420 und AD8422 zielen darauf ab, das Rauten-Diagramm so groß wie möglich zu erweitern. Zur Vereinfachung von Niederspannungsdesigns übersteigt das Rauten-Diagramm des AD8237 die Versorgungsspannung (Bild 1).

Bei Ihrer nächsten Entwicklung mit einem Instrumentenverstärker sollten Sie an den „diamond plot“ denken. Zumindest wird aufgrund dieses Plots nicht Interpol vor Ihrer Tür stehen, um die gestohlenen Steine aufzufinden!

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Redakteur, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.