34 a ktive bauelemente i n s t r u m e n t e n v e r s t ä r k e r www.polyscope.ch Indirect-Current-Feedback-Architektur Drei ist nicht gleich drei VIN- A1 VOUT1 R2 R1 Instrumentenverstärker, die aus drei Operationsverstärkern aufgebaut sind, waren für lange Zeit Stand der Technik für Applikationen, die Präzision und gleichzeitig eine hohe Verstärkung und/oder hohe Gleichtaktunterdrückung erfordern. Eine neue Architektur von Maxim wirkt den Einschränkungen wirkungsvoll entgegen. IG VIN+ - VIN- VOUT2 - VOUT1 RG IG A3 A2 VOUT2 R2 REF R2 Bild 1 Diese Verstärker verfügen über beträchtliche Einschränkungen, wenn sie in den heute üblichen Umgebungen mit nur einer einfachen Versorgungsspannung betrieben werden. Dieser Artikel erläutert die Beschränkungen herkömmlicher Instrumentenverstärker und zeigt die Vorteile der von Maxim patentierten Indirect-Current-Feedback-Architektur auf. solchen Verstärkers ist zweistufig: Die VOUT erste Stufe hat einen GleichtaktverstärVIN+ VOUT1 kungsfaktor von eins und sorgt gleichzeitig für die gewünschte differenzielle A =G ADIFF = 1 VDIFF DIFF G x VDIFF G x VDIFF Verstärkung, während die zweite Stufe ACM = 1 ACM = 0 einen Verstärkungsfaktor von eins (oder eine kleine Verstärkung) für das VINVOUT2 VREF differenzielle Signal hat und gleichzeiVCM VCM tig für die Gleichtaktunterdrückung Applikationen für Instrumentensorgt (Bild 2). verstärker Die meisten modernen Verstärker Instrumentenverstärker verstärken kleine diffe- mit niedriger Versorgungsspannung Bild2: 1 Die Gleichtaktspannung V erscheint in renzielle Signale in Anwesenheit von Gleichtakt- haben Rail-to-Rail-Ausgänge, aber Bild CM spannungen und bieten dabei eine hohe Eingangs- nicht unbedingt auch Rail-to-Railder Zwischenstufe (eingekreist) impedanz. Diese Eigenschaften machen sie Eingänge. Wir untersuchen trotzdem interessant für viele verschiedene Applikationen: einen 3-OpAmp-InstrumentenverstärBrückenschaltungen für Dehnungsmessstreifen ker mit einem extrem hohen Verstärkungsfaktor, V Diese Bedingungen werden in der grafischen CM zur Druck- und Temperaturmessung, Temperatur- Rail-to-Rail-Ein- und -Ausgängen, der mit nur Darstellung in Bild 3 am besten deutlich. Die messung mit Thermoelementen und eine Vielzahl einer Versorgungsspannung betrieben wird, ähn-VCC grauen Flächen stellen Bereich der GleichVCM <den VCC - 2V OUT lich wie in Bild 1 dargestellt. von Low-Side- und High-Side-Strommessungen. takteingangsspannung über der differenziellen Aus VOUT = gain 3 VDIFF + VREF folgt: Eingangsspannung dar, für den die VerstärkerVREF = 0 VCC/2 Instrumentenverstärker (VOUT1, VOUT2) = VCM ± (gain 3 VDIFF/2) ausgänge A1 und A2 in Bild 1 noch nicht gesätmit drei Operationsverstärkern = VCM ± (VOUT – VREF)/2 tigt sind. Dieser Bereich istOUTabhängig von VOUT VCM > 2V Die klassischen 3-OpAmp-Instrumentenverstär- Damit VOUT1 und VOUT2 innerhalb des Versor- und VREF. Da VOUT – VREF das verstärkte differenVOUT ker (Bild 1) bieten eine vorzügliche Gleichtakt- gungsspannungsbereichs liegen, muss sicherge- 0 zielle Eingangsspannungssignal ist, der (GAIN xV ) DIFFhängt VCC/2 VCC (a) unterdrückung und eine präzise Verstärkung stellt werden, dass zulässige Bereich für die Gleichtakt-EingangsVCM VCMvon < wVCC + 2V OUT differenzieller Signale, die durch einen einzigen 0 < (VOUT1, VOUT2) < VCC spannung der Grösse der differenziellen EinVCM < wVCC - 2VOUT VCC gangsspannung ab. Widerstand eingestellt wird. Die Architektur eines (d.h. 0 < VCM ± (VOUT – VREF)/2 < VCC) ist (mit 0 < VOUT < VCC). In der Praxis ist es natürlich am besten, wVCC In den meisten Anwendungen wenn man die grösstmögliche Verstärkung des R2 R2 VOUT1 VINVREF = 2Vbenutzt, 2VCC Schaltkreises CC A1 wird für unipolare Eingangssigum beim Anliegen der VCM > 4VCC - 2VOUT R1 IG nale VREF = 0 bzw. für bipolare maximal zu erwartenden differenziellen Ein4VCC OUT Eingangssignale V = V /2 gegangsspannung auch die grösstmögliche AusA3 VCM > 4VCC + 2VOUT VIN+ - VINVOUT2 - VOUT1 RG REF CC VOUT 2R1 setzt. gangsamplitude (V ) zu erhalten. Die schwar0 OUTV VOUT = (VIN+ - VIN-) x (1 + VCC/2 IG CC RG ) (GAIN x VDIFF + VREF) R1 Mit VREF = 0 vereinfacht sich die zen Bereiche(b)in Bild 4 stellen den Bereich der A2 REF VIN+ VOUT2 R2 R2 Ungleichung wie folgt: Gleichtakteingangsspannungen dar, in dem der 0 < VCM ± VOUT/2 < VCC Instrumentenverstärker die maximale diffeBild 2 Bild 1 Bild 1: Traditionelle 3-OpAmp-Architektur eines Mit VREF = VCC/2 ergibt sich: renzielle Eingangsspannung verstärkt, VOUT = 0 Instrumentenverstärkers 0 < VCM ± VOUT/2 ± VCC/4 < VCC oder VOUT = VCC. VREF VOUT VIN+ VOUT1 OUT VOUT = (VIN+ - V R1 VIN+ » Thomas Hennemann R2 Polyscope 22/07 Problem? Bereich liegt zwischen ¼ und ¾ VCC Ausserhalb gibt es nicht erlaubte Kombinationen VOUT Unter der Voraussetzung, dass das (erwünschte) VIN+ VOUT1 differenzielle Eingangssignal und die (unerwünschte) Gleichtakteingangsspannung nicht A =G ADIFF = 1 VDIFF DIFF G x VDIFF G x VDIFF ACM = 1 =0 voneinander abhängen, stellenACMdie schwarzen Bereiche die maximal tolerierbaren Werte für V VOUT2 VCM IN-dar, die noch zu einem voll nutzbarenVREF AusVCM VCM gangsspannungsbereich von 0 bis VCC führen. Ausserhalb dieses Bereiches gibt es nicht erlaubte Kombinationen von VDIFF und VCM, die dazu führen, dass der Verstärker gesättigt wird. Bild 1 Man beachte, dass für den im Bild 4 oben dargestellten Fall, für einen maximal nutzbaren Be- VCM VCC VCM < VCC - 2VOUT VREF = 0 VCC/2 VCM > 2VOUT 0 VCC/2 VCM (a) VCC VOUT (GAIN x VDIFF) VCM < wVCC + 2VOUT VCM < wVCC - 2VOUT VCC wVCC VREF = 2VCC 2VCC VREF VCM > 4VCC - 2VOUT 4VCC VCM > 4VCC + 2VOUT 0 VCC/2 (b) VCC VOUT (GAIN x VDIFF + VREF) Bild 3: Der nutzbare Gleichtaktbereich VCM eines Bild 2 3-OpAmp-Instrumentenverstärkers bei (a) VREF = 0 und (b) VREF = VREF/2 Polyscope 22/07 VCM VCC VREF = 0 VCC/2 X 0 VCC/2 VCC (a) VOUT (GAIN x VDIFF) Lösung! VCM VCC wVCC 2VCC VREF = 2VCC 4VCC X 0 VCC/2 (b) VCC VOUT (GAIN x VDIFF + VREF) Bild 4: Nur im schwarzen Bereich der GleichBild 4 taktspannung kann der 3-OpAmp-InstrumenOUT tenverstärker voll ausgesteuert werden ( VOUT = (VIN+ - VIN-) x 1 + 2R1 RG ) REF reich von VOUT, die Toleranz für die GleichtakteinVCM VCMnull < VCM-MAX / GAIN) gangsspannung ist.- (2V Mit Worten, das OUT anderen VCC VCM-MAX VCM < VCC - 2VOUT Eingangssignal muss einen Gleichtaktanteil von exakt der halben Versorgungsspannung besitzen. VREF =Eigenschaften 0 VCC/2 Durch diese finden 3-OpAmp-Instrumentenverstärker nur VerwenVCMeingeschränkt > 2VOUT dung in Applikationen, die mit VOUT einer einfachen 0 (GAIN x VDIFF) VCC/2 VCC Versorgungsspannung betrieben werden. (a) Es lohnt sich aber, die Untersuchung hier VCM VCM < wVCC + 2VOUT VCM < VCM-MAX ± (2VOUT / GAIN) + 2VCC weiterzuführen, um folgende zwei Fragen zu VCC VCM < wVCC - 2VOUT VCM-MAX beantworten: wVCC n Was passiert, wenn die internen Verstärker 2VCC 2VCC (A1 undVREF A2)= gesättigt werden? VCM > 4VCC - 2VOUT n Welchen Effekt haben Non-Rail-to-Rail4VCC VCM > 4VCC + 2VOUT Technologien? VOUT 0 VCC/2 (b) VCC Lockout/Tagout (GAIN x VDIFF + VREF) Eingangsverstärker in der Sättigung Betrachten wir den Fall, wenn der Ausgang des Bild 5 Verstärkers A1 nach Masse gesättigt ist. Mit anderen Worten, VIN+ > VIN– und die Gleichtaktspannung sind in dem mit einem X markierten Bereich von Bild 4 (VDIFF ist grösser als der erlaubte graue Bereich). Da A1 gesättigt ist (VOUT1 = 0), wird er nun als Komparator, also nicht-linear, betrieben, und die Spannung am invertierenden Eingang ist nicht mehr genauso gross wie die Spannung am nicht invertierenden Eingang (VIN–). A2 verstärkt dann als nicht invertierender Verstärker mit der Verstärkung 1 + R1/(R1 + RG) die Spannung an seinem nicht invertierenden Eingang (VIN+). Für hohe Verstärkungsfaktoren gilt RG << R1 und damit arbeitet A2 mit einem Verstärkungsfaktor von +2. VOUT2 = 2 3 VIN+ = 2 3 (VCM + VDIFF/2) = 2 3 VCM + VDIFF Der Differenzverstärker der zweiten Stufe, A3, gibt an seinem Ausgang einfach die Differenz seiner beiden Eingänge VOUT1 und VOUT2 aus. VOUT = (2 3 VCM + VDIFF) + VREF prx.ch S87_1d S87_1d Wie man sieht, ist die mögliche GleichtakteinInserat S+K gangsspannung in beiden Fällen stark begrenzt. 4-f, 1/3 Seite abfallend n Will man ein unipolares differenzielles Eingangssignal vollständig verstärken (es wird VREF = 0 gesetzt und der volle Ausgangsspannungsbereich von 0 bis VCC soll erreicht werden), so muss das Eingangssignal genau einen Gleichtaktanteil von ½ VCC haben. Bei jeder anderen PROXY AG Gleichtakteingangsspannung wird nicht die maximal mögliche AusgangsWerbeagentur Bahnhofstr. Postfach spannung von102, VCC erreicht (und somit der CH - 5001 Aarau maximal mögliche Bereich der differenziellen Tel. Ø 062 - 823 94 00 Eingangsspannung reduziert). Für bipolare Fax 062 - 823 94 09 differenzielle Eingangssignale (VREF = ½ VCC) Url www.proxy-ag.ch liegt der entsprechende Bereich der GleichRoger Kaufmann takteingangsspannung, man den R2 R2 Tel. 062 - 823V94 01in dem VINOUT1 A1 vollen von 0 bis EmailAusgangsspannungsbereich [email protected] R1 IG VCC nutzen kann, zwischen ¼ und ¾ VCC. A3 VIN+ - VINVOUT2die - VOUT1 RG n Für beide Fälle gilt: Läge Gleichtakteingangsspannung auf oder in der Nähe des IG R1 A2 Massepotenzials (0V V), dann würde die VerVIN+ OUT2 R2 R2 stärkung des Schaltkreises für differenzielle Bild 1 Signale verloren gehen. Effektives Verriegelungssystem. Sicherheit zuerst. Umfangreiches Programm. Professionelle Kennzeichnung ...... Von der StandAlone bis zur Netzwerklösung Hochwertige Materialien. Schärer+Kunz AG Hermetschloostr.73 Postfach 757 CH-8010 Zürich Tel. 044 434 80 80 Fax 044 434 80 90 [email protected] Verlangen Sie unseren Katalog! Bild 4 36 a ktive bauelemente i n s t r u m e n t e n v e r s t ä r k e r VCM VCM < VCM-MAX - (2VOUT / GAIN) VCC VCM-MAX VCM < VCC - 2VOUT VREF = 0 VCC/2 VCM > 2VOUT 0 VCM VCC/2 VCC (a) VCM < wVCC + 2VOUT VCC VCM-MAX VOUT (GAIN x VDIFF) VCM < VCM-MAX ± (2VOUT / GAIN) + 2VCC VCM < wVCC - 2VOUT wVCC VREF = 2VCC 2VCC VCM > 4VCC - 2VOUT 4VCC VCM > 4VCC + 2VOUT 0 VCC/2 VCC (b) VOUT (GAIN x VDIFF + VREF) Bild 5: Der nutzbare Gleichtaktbereich bei NonRail-to-Rail-Technologien Bild 5 Ähnliches passiert, wenn A2 nach Masse gesättigt ist: VOUT = – (2 3 VCM – VDIFF) + VREF Dies ist ein potenziell gefährlicher Betriebszustand des 3-OpAmp-Instrumentenverstärkers. Zum einen hat er aufgehört, die differenzielle Eingangsspannung zu verstärken, darüber hinaus haben sich seine Eigenschaften nicht langsam, aber stetig verschlechtert, sondern er verstärkt plötzlich die Gleichtakteingangsspannung relativ zur differenziellen Eingangsspannung. Dieses Problem wiegt umso schwerer, als dass Gleichtaktspannungen im Allgemeinen unkontrolliert auftreten und meistens als Rauschen das Nutzsignal stören. Dies ist ein ernst zu nehmendes Problem, da Instrumentenverstärker gerade deshalb eingesetzt werden, um Rauschen zu eliminieren. trieb bei VCC-naher Gleichtaktspannung zum Betrieb bei Masse-naher Gleichtaktspannung kann niemals perfekt sein, da während dieses Übergangs Offsetspannungen zwischen den N- und den P-Typ-Paaren in der differenziellen Eingangsstufe auftreten können. Eine niedrige Offsetspannung (VOS) und ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) sind entscheidende Spezifikationen für einen gut konstruierten Präzisionsinstrumentenverstärker. Weil CMMR = ∆VOS/∆V CM MAX4462 ist, bewirkt eine Änderung in VOS beim Übergang von einem Gleichtaktbereich zum anderen eine massive Verschlechterung der CMRRA Spezifikation. Deshalb werden die meisten Präzisionsinstrumentenverstärker als Typen ohne Rail-toRail-Eingänge entwickelt, auch wenn sie noch Bild 6 die negative Versorgungsspannung (0 V) als Gleichtakteingangsspannung erlauben. Wenn wir noch einmal das Bild 3 unter Berücksichtigung der Grenzen für die Gleichtakteingangsspannung untersuchen und korrigieren, so ergeben sich die in Bild 5 dargestellten Grafen. Indirect-Current-Feedback-Architektur ist neue Methode Dadurch ist die Ausgangsspannung an OUT einfach die Verstärkung der differenziellen Eingangsspannung mit dem Verstärkungsfaktor 1+ R2/R1. Der Offset des Ausgangs kann durch Anlegen einer Spannung an REF gesteuert werden, ähnlich wie bei einem herkömmlichen V 3-OpAmp-Instrumentenverstärker. MAX4209 Die Abstraktion dieses Aufbaus führt zu C einem Funktionsmodell wie in Bild 7 gezeigt. R2 V Der Vergleich mit Bild 2 macht den entscheiINdenden Vorteil dieses Systems deutlich. R1Das B A IN+ OUT C Zwischensignal in dem 3-OpAmp-InstrumenR2 tenverstärker enthält nicht nur die verstärkte differenzielle Eingangsspannung, sondern auch +1 R1 B die Gleichtaktspannung. R2Im Gegensatz dazu G=1+ SHDN REF R1 enthält die Indirect-Current-Feedback-ArchiV V tektur lediglich eine Ableitung der differenziellen Eingangsspannung. Die erste Stufe sorgt für die gesamte Gleichtaktunterdrückung. Die zweite Stufe sorgt für die differenzielle VerstärDD DD VIN+ ACM = 0 VIN- VDIFF ADIFF = G VOUT2 VREF CM CM-MAX OUT CM-MAX ± (2VOUT / GAIN) + 2 CC CM-MAX CM-MAX CC CC CC VDD OUT R2 VDD FB IN- OUT C A IN+ B R1 REF R2 A B +1 R1 REF G = 1 + R2 R1 REFIN/MODE SHDN VSS VSS VIN+ VOUT1 VOUT REFIN/MODE G x VDIFF ACM = 0 Die Indirect-Current-Feedback-Architektur ist eine neue Methode, Ins- Bild 7 Bild 7: Am Ausgang der ersten Stufe eines trumentenverstärker zu konstruieIndirect-Current-Feedback-Instrumentenverren. Durch die vielen Vorteile, die stärkers erscheint keine Gleichtaktspannung sie bietet, wurde sie sehr populär. VCM Bild 6 zeigt die Indirect-CurrentV <V VCM V <V - (2V gleichzeitiger / GAIN) Feedback-Architektur, wie sieV in den Instru- kung bei weiterer GleichtaktV V mentenverstärkern MAX 4462 und MAX 4209 unterdrückung, sodass das Ausgangssignal, V benutzt wird. wenn nötig, durch eine Referenzspannung mit Diese neue Struktur beinhaltet einen Ver- einem Offset versehen werden kann. Dadurch stärker mit grossem Verstärkungsfaktor (C) können bei der Indirect-Current-FeedbackREF = 2VCC und zwei Transkonduktanzverstärker (A und Einschränkungen Vdes GleichEffekte von Non-Rail-to-RailVREF = 0 Architektur B). Jeder dieser Verstärker wandelt seine dif- takt-Eingangsspannungsbereichs wie bei den Technologien Wie bereits erwähnt, besitzen die meisten Ver- ferenzielle Eingangsspannung in einen Aus- 3-OpAmp-Instrumentenverstärkern gar nicht VOUT 0 stärker Rail-to-Rail-Ausgänge, aber keine Rail-to- gangsstrom um und unterdrückt 0seine gesam-V /2 erst entstehen. (GAIN x VDIFF) V /2 V (b) Berücksichtigt man die tatsächlichen Rail-Eingänge. Rail-to-Rail-Eingangsstufen sind te Gleichtakteingangsspannung. Am stabilen(a) der Einschränkungen des Gleichtakteingangsbesonders schwer zu entwerfen, wenn hohe Ge- Arbeitspunkt des Verstärkers entspricht Bild 8 nauigkeit gefordert wird. Der Übergang vom Be- Ausgangsstrom der gm-Stufe A dem Eingangs- spannungsbereichs (d. h. eine Non-Rail-to-Railstrom der gm-Stufe B. Dieser Eingangsstufe), so würden die ÜbertragungschaAbgleich wird durch Rückkopp- rakteristiken ähnlich wie in Bild 8 aussehen. lungseinwirkung des Verstärkers Die schwarzen Flächen zeigen die durch das MAX4209 C erreicht, der die differenzielle Design vorgegebenen Grenzen für die GleichSpannung am Eingang des takteingangsspannungen, innerhalb derer der Rückkoppelungsverstärkers B MAX4462 auf den gleichen Wert wie die Autor differenzielle Eingangsspannung am Verstärker A zwingt. Thomas Hennemann Die Schaltung stellt dann einen Senior Field Application definierten Strom (VDIFF/R1) in Engineer, Maxim GmbH der Serienschaltung der AusFraunhoferstrasse 11 gangswiderstände ein. Dieser Bild DE-82152 Planegg-Martinsried Bild 66: Die Indirect-Current-Feedback-Architektur wird von den Strom fliesst ebenso durch R2. Instrumentenverstärkern MAX 4462 und MAX 4209 verwendet C REF VOUT VOUT1 ADIFF = 1 VDIFF CM FB SS SS VCM CC OUT Polyscope 22/07 VCC VOU (GAI VIN- VCM VOUT2 VREF Bild 7 VCM VCM VCM < VCM-MAX - (2VOUT / GAIN) VCC VCM < VCM-MAX ± (2VOUT / GAIN) + 2VCC VCC VCM-MAX VCM-MAX VREF = 2VCC VREF = 0 0 VCC/2 VCC VOUT (GAIN x VDIFF) 0 VCC/2 VCC (b) (a) Bild 8 Bild 8: Der nutzbare Gleichtaktbereich eines IndirectCurrent-Feedback-Instrumentenverstärkers. Im schwarzen Bereich ist die volle Aussteuerung möglich VOUT (GAIN x VDIFF + VREF) Jetzt NEU! Katalog Arbeitsplatzausstattung Ausgang noch voll ausgesteuert werden kann. Die grauen Flächen zeigen den Bereich der Gleichtakteingangsspannungen, in dem der Instrumentenverstärker wie erwartet arbeitet: Er liefert als Ausgangsspannung die verstärkte differenzielle Eingangsspannung und unterdrückt die gesamte Gleichtaktspannung. « Glossar Differenzverstärker Ein Verstärker mit zwei Eingängen, der nicht die einzelnen Eingangssignale, sondern ihre Differenz (Differenzspannung) verstärkt. Gleichtaktspannung, engl. Common Mode Voltage, VCM Der gemeinsame Anteil der beiden Eingangssignale eines Differenzverstärkers in Bezug auf Masse oder ein anderes gemeinsames Bezugspotenzial (engl. Common). Häufig handelt es sich hier um Störsignale. Mathematisch der Mittelwert der beiden Eingangsspannungen. Gleichtaktunterdrückung Die Fähigkeit eines Verstärkers, Gleichtaktspannungen ausgangsseitig zu unterdrücken. Gleichtaktunterdrückungsverhältnis, engl. Common Mode Rejection Ratio, CMRR Das in dB gemessene Verhältnis von Differenzverstärkung zu Gleichtaktverstärkung. Ein Mass für die Gleichtaktunterdrückung eines Verstärkers. Offsetspannung VOS Nullpunktfehler eines Operationsverstärkers. Rail-to-Rail-Eingang und Rail-to-Rail-Ausgang Mit Rail-to-Rail werden Ein- oder Ausgänge bezeichnet, die Spannungen verarbeiten bzw. ausgeben können, die bis an die Versorgungsspan- www.distrelec.ch • Die ganze Bandbreite der Arbeitsplatzausstattung • Grosser Arbeitssicherheitsteil • Alle führenden Hersteller • Heute bestellen – morgen im Haus • Kein Mindermengenzuschlag Jetzt Katalog kostenlos bestellen! nungen (engl. Rails) heranreichen. Infoservice Roland Sandfuchs Maxim Integrated Products Switzerland AG Bäulerwisenstrasse 3, 8152 Glattbrugg Tel. 044 828 80 80, www.maxim-ic.com Polyscope 22/07 Telefon 044 944 99 11 Fax 044 944 99 88