In diesem Schaltungstipp tipp stellen wir eine stromsparende, komplett differenziell aufgebaute Instrumentenverstärkerschaltung vor.

Derzeit haben alle auf dem Markt angebotenen Instrumentenverstärker mit „Drei-Operationsverstärker“-Topologie einen massebezogenen Ausgang. Viele Applikationen könnten jedoch von Instrumentenverstärkern mit differenziellem Ausgang profitieren.

Im Vergleich zu Instrumentenverstärkern mit massebezogenem Ausgang weisen OPV-Modelle mit differenziellem Ausgang eine höhere Immunität gegenüber Gleichtaktrauschquellen und eine bessere Oberwellenunterdrückung bei der zweiten Harmonischen auf. Außerdem bieten sie ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis und ermöglichen die einfache Anbindung an moderne A/D-Wandler mit differenziellem Eingang.

Bild 1 zeigt einen stromsparenden, komplett differenziellen Instrumentenverstärker. Aufgebaut ist die Schaltung durch Kaskadierung des stromsparenden Zweifach-Präzisions-OPV OP2177 (IC₁) mit dem komplett differenziellen Verstärker/Treiber AD8476 (IC₂).

Bei einem Versorgungsstrom unter 1,2 mA weist der zusammengesetzte Verstärker ein Eingangsrauschen von 11 nV/√Hz, einen max. Eingangs-Biasstrom von 2 nA, eine max. eingangsbezogene Offsetspannung von 75 µV und eine max. eingangsbezogene Offsetspannungsdrift von 0,9 µV/°C auf. Der OP2177 und die Widerstände R_F1, R_F2 und R_G zur Verstärkungseinstellung bilden den Puffer-Vorverstärker des Instrumentenverstärkers und stellen die Spannungsverstärkung des zusammengesetzten Verstärkers auf folgenden Wert ein:

Bei R_F1 = R_F2 wird Der AD8476 dient als Differenzbildner des Instrumentenverstärkers. Er erhält das verstärkte Signal vom Vorverstärker des Instrumentenverstärkers, unterdrückt dessen Gleichtaktkomponente und leitet dessen differenzielle Komponente weiter.

Der AD8476 weist eine Gleichtaktunterdrückung (CMRR) von 90 dB auf und ermöglicht, dass der zusammengesetzte Instrumentenverstärker bei Eins-Verstärkung eine CMRR von 90 dB hat. Bei höheren Verstärkungen werden, proportional zur Spannungsverstärkung des Vorverstärkers, durch Gleichtakt-Eingangssignale verursachte Fehler in Bezug auf den Eingang zusätzlich reduziert.

Da der komplett differenzielle Instrumentenverstärker in Bild 1 die „Drei-OPV“-Topologie nutzt, gibt die Anpassung zwischen den Widerständen R_F1, R_F2 und R_G die Verstärkungsgenauigkeit des Verstärkers vor – ein Parameter, der leicht kalibriert werden kann. Die CMRR des Verstärkers wird dagegen durch IC₂ bestimmt. Der AD8476 liefert ausgangsseitig auch die differenzielle Spannung zum Treiben des Instrumentenverstärkers.

Somit können bis zu 500 kSample/s schnelle A/D-Wandler mit differenziellem Eingang direkt getrieben werden. Das optionale Widerstands/Kondensator-Netzwerk R_F – C_F bildet ein einpoliges Tiefpassfilter, das als Antialiasing-Filter dient und hochfrequentes Rauschen vom A/D-Wandler fernhält.

Die ausgangsseitige Gleichtaktspannung des Instrumentenverstärkers wird über den Pin V_OCM des AD8476 eingestellt. Wenn dieser Pin offen bleibt, floatet die ausgangsseitige Mittenspannung des Verstärkers zur mittleren Versorgungsspannung. Falls der Instrumentenverstärker zum Treiben eines A/D-Wandlers verwendet wird, sollte der Pin V_OCM des AD8476 an eine Spannung angelegt werden, die halb so groß ist wie die Referenzspannung des ADC.

Autor: Sandro Herrera, Analog Devices