Instrumentenverstärker verstehen und entwerfen
Was ist ein Instrumentenverstärker?
Ein Instrumentenverstärker ermöglicht Ingenieuren, die Verstärkung einer Schaltung durch Ändern nur eines einzigen Widerstands feinabzustimmen – im Gegensatz zu einem herkömmlichen Differenzverstärker, der mehrere Widerstandsänderungen erfordert. Auf dem Differenzverstärker aufbauend, fügt er einen einzelnen einstellbaren Widerstand hinzu, der diese Bequemlichkeit erschließt.
Funktionsweise der Schaltung
Das Design kombiniert eine gepufferte Differenzstufe mit drei zusätzlichen Widerständen, die die beiden Pufferstufen verbinden. Alle Widerstände sind gleich, außer R_gain.
Negative Rückkopplung im linken oberen Op‑Amp erzwingt, dass die Spannung an Punkt 1 (oben an R_gain) mit V_1 übereinstimmt, während der untere Op‑Amp die Spannung an Punkt 2 (unten an R_gain) auf V_2 festlegt. Dadurch entsteht ein Spannungsabfall über R_gain, der der Differenz zwischen V_1 und V_2 entspricht. Da die Eingangsströme der Op‑Amps vernachlässigbar sind, fließt derselbe Strom durch die beiden Widerstände neben R_gain, was einen Spannungsabfall zwischen den Punkten 3 und 4 erzeugt, gegeben durch:
Der Standard‑Differenzverstärker rechts verstärkt diesen Abfall dann mit dem Faktor eins – sofern die umgebenden Widerstände gleich sind.
Warum einen Instrumentenverstärker verwenden?
Obwohl der Aufbau komplex wirkt, bietet diese Konfiguration zwei große Vorteile:
- Extrem hoher Eingangswiderstand an
V_1undV_2, da jeder direkt an den nicht‑invertierenden Eingang seines Op‑Amps anschließt. - Einfache, ein‑Widerstand‑Verstärkungseinstellung über
R_gain.
Umformung der Algebra liefert den Gesamt‑Spannungsverstärkungsausdruck:
In der Praxis genügt das Ändern von R_gain, um die differentielle Verstärkung zu variieren. Zwar können auch andere Widerstände angepasst werden, um die Verstärkung zu ändern, doch das würde perfekt ausbalancierte Änderungen erfordern, um die Symmetrie zu wahren. Beachten Sie, dass das Setzen von R_gain auf unendlich (offener Kreis) die Minimalverstärkung von 1 ergibt.
Kernaussage
- Ein Instrumentenverstärker liefert hohen Eingangswiderstand und mühelose Verstärkungskontrolle über einen einzelnen Widerstand, was ihn ideal für präzise Messschaltungen macht.
Weiterführende Literatur
- Summer und Subtrahierer OpAmp‑Schaltungen Arbeitsblatt
Industrietechnik
- Hochverstärkender Mehrstufen-Common-Emitter-Verstärker mit negativer Gegenkopplung
- Der 555 integrierte Schaltkreis: Ein zeitloser Meilenstein im Analogdesign
- Die Mitternachtsformel: Zuverlässiges Werkzeug zum Lösen quadratischer Gleichungen
- Common-Source-JFET-Verstärker: Design, Analyse und praktisches Arbeitsblatt
- Common-Drain-JFET-Verstärker: Grundlagen, Anwendungen & Arbeitsblatt
- Common-Gate-JFET-Verstärker: Design, Betrieb und Anwendungen
- Common-Source-Verstärker (IGFET): Design, Biasing und Leistung
- Common-Drain-Verstärker (IGFET): Design, Funktion und Anwendungen
- Common-Gate-IGFET-Verstärker: Theorie, Design und praktische Anwendungen
- Mexikos Nearshoring-Boom: Chinas Niedergang zum Fertigungsvorteil nutzen