Instrumentenverstärker

Eine Wägezelle aus Dehnungsmessstreifen liefert bei voller Last gerade einmal 10 mV – und diese 10 mV sitzen auf einer Gleichspannung von 2,5 V, weil die Brücke aus 5 V versorgt wird. Ein Thermoelement am Ende eines langen Kabels liefert Mikrovolt, auf die sich 50-Hz-Brummen in beiden Adern gleich stark einkoppelt. In beiden Fällen interessiert nur der Unterschied zwischen zwei Leitungen, nicht ihre gemeinsame Spannung. Für genau diese Aufgabe gibt es den Instrumentenverstärker, englisch Instrumentation Amplifier oder kurz In-Amp. Er verstärkt die Differenz um einen einstellbaren Faktor und unterdrückt alles, was beide Eingänge gemeinsam haben.

Warum ein einfacher Differenzverstärker nicht reicht

Mit einem Operationsverstärker und vier Widerständen lässt sich ein Differenzverstärker bauen, siehe OPV-Grundschaltungen. Für Messbrücken hat er zwei Schwächen:

• Niedriger Eingangswiderstand: Die Eingänge belasten die Quelle mit den Widerständen der Schaltung, typisch einige Kiloohm. Eine Brücke mit 350 Ω Innenwiderstand verfälscht das bereits.
• Gleichtaktunterdrückung hängt an den Widerständen: Nur wenn alle vier Widerstände exakt im richtigen Verhältnis stehen, heben sich gemeinsame Spannungen auf. Mit 1-%-Widerständen kann im ungünstigsten Fall nur etwa 1/50 der Gleichtaktspannung durchrutschen – bei Verstärkung 1 etwa 34 dB Unterdrückung.

Wie man dB und Faktor umrechnet, zeigt Dezibel; hier zum Nachrechnen:

Aufbau und Funktionsweise

Der klassische Instrumentenverstärker besteht aus drei OPVs:

1. Zwei Eingangsverstärker arbeiten als nichtinvertierende Verstärker. Ihre Eingänge sind die Anschlüsse IN+ und IN− – hochohmig, im Giga-Ohm-Bereich. Die beiden Stufen teilen sich einen gemeinsamen Widerstand R_G zwischen ihren Rückkopplungen.
2. Eine Differenzstufe aus einem dritten OPV und vier gleichen Widerständen bildet die Differenz der beiden Ausgänge und bezieht das Ergebnis auf den Referenzeingang REF.

Der Kniff: Eine Differenzspannung am Eingang treibt einen Strom durch R_G und wird von den Eingangsstufen verstärkt. Eine Gleichtaktspannung erzeugt an R_G keinen Strom – beide Enden liegen auf derselben Spannung – und wird deshalb nur mit dem Faktor 1 durchgereicht. Die Differenzstufe entfernt sie anschließend. Weil die Widerstände auf dem Chip per Laser abgeglichen sind, erreicht der Baustein 100–130 dB Gleichtaktunterdrückung (CMRR).

Die Verstärkung stellst du mit einem einzigen Widerstand ein:

Der Wert 2 · R steht im Datenblatt: beim INA128 50 kΩ, beim AD620 49,4 kΩ, beim INA333 100 kΩ. Ohne R_G ist die Verstärkung 1.

Schaltzeichen und Anschlüsse

Im Schaltplan zeichnet man den Instrumentenverstärker als Dreieck mit den Eingängen + und −, zwei Anschlüssen für R_G, dem Referenzeingang und den Versorgungspins. Die meisten Typen im 8-poligen Gehäuse folgen derselben Belegung: R_G an Pin 1 und 8, IN− an Pin 2, IN+ an Pin 3, V− an Pin 4, REF an Pin 5, Ausgang an Pin 6 und V+ an Pin 7.

Kennwerte gängiger Typen

Der INA128 und der ältere AD620 sind die Klassiker für ±15-V-Systeme, der INA333 ist ein Zero-Drift-Typ für 3,3 V und 5 V neben einem Mikrocontroller.

Durchgerechnet: Wägezelle am ADC

Eine Wägezelle mit 2 mV/V Empfindlichkeit wird aus 5 V versorgt und liefert bei Nennlast also 10 mV. Ein INA333 an derselben 5-V-Versorgung soll das auf rund 2 V verstärken, damit ein 12-Bit-ADC genug Auflösung hat. Die Brücke selbst ist eine Brückenschaltung aus vier Dehnungsmessstreifen.

Prüfe außerdem die internen Spannungen: Die Eingangsstufen geben die Gleichtaktspannung plus bzw. minus die halbe verstärkte Differenz aus, hier 2,5 V ± 201 · 10 mV / 2 ≈ 2,5 V ± 1,0 V. Das liegt sicher im erlaubten Bereich. Bei hoher Verstärkung und Gleichtaktspannung nahe einer Schiene stoßen die internen OPVs dagegen an ihre Grenze, lange bevor der Ausgang es tut. Viele Datenblätter zeigen das als sechseckiges Diagramm aus Gleichtakt- und Ausgangsspannung.

Typische Anwendungen

• Messbrücken: Wägezellen, Drucksensoren, Dehnungsmessstreifen.
• Temperatur: Thermoelemente mit wenigen µV/K und Pt100 in Brückenschaltung.
• Strommessung: Die Spannung an einem Shunt-Widerstand in der Plusleitung. Für hohe Gleichtaktspannungen gibt es eigene Strommessverstärker.
• Medizintechnik: EKG-Verstärker, bei denen Millivolt-Signale auf großen Brummspannungen sitzen.

Auswahl und Praxistipps

Die erste Frage ist die Versorgung: Neben einem Mikrocontroller an 3,3 V oder 5 V brauchst du einen Typ mit Rail-to-Rail-Ausgang wie den INA333 oder INA826. Danach entscheiden Offset und Drift (Zero-Drift für Gleichspannungssignale), die Gleichtaktunterdrückung bei der Frequenz deiner Störung und die Bandbreite bei der gewählten Verstärkung.

Häufige Fehler:

• Kein Rückweg für den Eingangsstrom: Die Eingänge brauchen einen Gleichstrompfad zur Masse der Schaltung. Eine erdfreie Quelle wie ein Thermoelement oder ein Eingang mit Koppelkondensatoren lässt die Eingänge davondriften, bis der Ausgang an der Schiene klebt. Abhilfe: je ein Widerstand von etwa 100 kΩ bis 1 MΩ von jedem Eingang nach Masse.
• REF hochohmig angesteuert: Der Referenzeingang hängt intern an Widerständen von einigen 10 kΩ. Ein einfacher Spannungsteiler davor verschlechtert Verstärkung und Gleichtaktunterdrückung. Treibe REF mit einem OPV als Spannungsfolger.
• Billiger R_G: Seine Toleranz und sein Temperaturkoeffizient gehen direkt in die Verstärkung ein. Nimm 0,1 % und höchstens 25 ppm/K.
• Interne Aussteuerung übersehen: Siehe die Prüfung der Eingangsstufen oben.
• Hochfrequente Störungen: Funk und Schaltregler-Störungen können gleichgerichtet werden und einen Offset erzeugen. Ein kleines RC-Filter vor jedem Eingang, symmetrisch aufgebaut, hilft.

Selbsttest