23 feiten over instrumentatieversterker: de complete gids!

Inleiding tot instrumentatieversterker

Een instrumentatieversterker is een bepaald type versterker dat is afgeleid van het vervullen van een aantal specifieke doeleinden. Instrumentatieversterker biedt een hogere versterking, hoge CMRR (common-mode rejection ratio) en hoge ingangsimpedanties. We kunnen dus zeggen dat het de meeste kenmerken van een ideale op-amp probeert te bezitten.

Een instrumentatieversterker wordt vaak In-Amp of InAmp genoemd. Dit artikel bespreekt in detail over circuit, ontwerp, formules en vergelijkingen met betrekking tot de instrumentatieversterker.

3 Op-Amp Instrumentatieversterker

Een typische instrumentatieversterker bestaat uit 3 gewone op-amps. Twee ervan worden in een enkele fase gebruikt, terwijl de andere wordt gebruikt om een ​​podium te scheiden. Alle drie de versterkers werken als een differentiële versterker en ze zijn allemaal verbonden met negatieve terugkoppelingen. Omdat instrumentatieversterkers uit 3 versterkers bestaan, worden ze vaak drie op-amp-versterkers genoemd.

Instrumentatie Versterker Circuit

De onderstaande afbeelding vertegenwoordigt een typisch schakelschema van een instrumentatieversterker. Bekijk de afbeelding zorgvuldig, want we gaan naar de foto verwijzen voor de rest van het artikel.

De ingangsspanningen zijn Vi1 en Vi2.

De weerstanden zijn R1 (2), R2 (2), R3, R4 (2).

De spanning op de A- en B-aansluitingen is respectievelijk VA en VB.

De stroom door de R4-, R3- en R4-tak is I.

De output van versterker -1 is de Vo1 en die van versterker -2 is Vo2.

De output van de 3^rd versterker is Vout.

Instrumentatie versterker ontwerp

Een instrumentatieversterker is een combinatie van 3 typische versterkers. Ze zijn in een specifieke volgorde verbonden om een ​​instrumentatieversterker te bouwen. We kunnen het ontwerp van de instrumentversterker in twee delen scheiden.

Het eerste deel is "Twee ingangen en twee uitgangen". Er zijn twee standaard operationele versterkers aangesloten, zoals weergegeven in de afbeelding van de versterkerschakeling. Beiden zijn voorzien van een negatieve feedback omdat dit het circuit meer stabiliseert. De uitgang van beide versterkers is verbonden met drie weerstanden.

Het tweede deel is een basis “Differentiële versterker​ De uitgang van beide vorige versterker fungeert als ingang voor de laatste versterker. Uitgangen zijn verbonden met twee identieke weerstanden met de versterker. Het positieve gedeelte is geaard en de negatieve feedback is gekoppeld aan de negatieve aansluiting en de o / p van deze op-amp is de laatste uitvoer van de instrumentversterker.

Instrumentale versterkerafleiding

Laten we de functionele vergelijkingen en formules voor de instrumentatieversterker afleiden. Laat ons weten wat er in de hele instrumentversterker gebeurt om de vergelijkingen af ​​te leiden. Zoals we eerder hebben vermeld, de scheiding van twee fasen dus, we zullen het gedeeltelijk berekenen.

In de eerste fase wordt de invoer geleverd aan de niet-inverterende aansluitingen van beide versterkers. De versterker is differentiële versterkers. Ze ontdekken dus het verschil tussen de gegeven ingangsspanningen. Raadpleeg nu het schakelschema; de ingangsspanningen zijn Vi1 en Vi2. De inverterende aansluiting van het circuit is verbonden met negatieve feedback van de uitgang van de versterkers. Laten we zeggen dat de inverterende aansluitingen van beide versterkers respectievelijk de potentiaal VA en VB hebben. Ze verschijnen bij het knooppunt dat verbinding maakt met de weerstandslijnen en -tak.

Aangezien de virtuele kortsluiting werkt, ontvangen de A- en B-klem dezelfde hoeveelheid spanning als de ingangen. We kunnen dus zeggen: VA = Vi1, VB = Vi2. Het hele podium werkt als een differentiële versterker. Dat betekent dat het verschil tussen de twee ingangsspanning aan de uitgang wordt versterkt. De output zal weer de verschillen zijn tussen de twee uitgangsspanning. Dat kan als volgt worden uitgedrukt:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Hier is k de versterking van de versterker.

In fase twee wordt het verschil van de versterkers aangevoerd als ingang voor de versterker. De versterker werkt in dit stadium gewoon als een typische versterker. De weerstanden die zijn verbonden met de informatie hebben dezelfde waarden als de vereiste van de differentiële versterkers. De inverterende terminal is verbonden met de aarde en de versterker heeft echter virtuele aarding. In de volgende sectie zullen we de wiskundige berekeningen voor een instrumentversterker afleiden.

Vergelijking instrumentversterker

De ingangsspanningen zijn Vi1 en Vi2.

Als de virtuele kortsluiting werkt, dan VA = Vi1 en VB = Vi2

Nu loopt er geen stroom van A en B naar de weerstandstak. Er is alleen een typische stroom door de tak, en dat is stroom I. 'I' wordt gegeven als:

Ik = (Vi1 - Vi2) / R3.

De huidige 'I' kan ook worden berekend met behulp van de knooppuntanalyse. Het komt als volgt.

Ik = (Vo1 - Vo2) / (R4 + R3 + R4)

Of, (Vo1 - Vo2) = (Vi1 - Vi2) * (R3 + 2R4) / R3

De bovenstaande vergelijking legt de werking van de eerste trap uit. Voor de tweede fase is de uitvoer van de op-amp de laatste uitvoer van de instrumentatieversterker.

Uit de werking van een verschilversterker kunnen we dat schrijven,

Vout = (R2 / R1) x (Vo2 - Vo1)

Of, Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Dit is de instrumentatieversterkervergelijking of de uitgangsvergelijking van een instrumentatieversterker. Kijk nu naar de afleidingssectie van dit artikel. Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2). De verkregen vergelijking heeft hetzelfde formaat.

Instrumentatie Versterker Gain

De versterking van de versterker wordt de factor genoemd waarmee de versterker het ingangssignaal versterkt. De weerstandswaarden vertegenwoordigen de versterking van een instrumentatieversterker. De versterking hangt ook af van het type terugmelders dat wordt gebruikt. De positieve feedback zorgt voor een hogere versterking, terwijl negatieve feedback voor een betere stabiliteit van het systeem zorgt.

De algemene vergelijking van de instrumentatieversterker is Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2), de winst weergeven als: 'k'.

Instrumentatie Versterker Versterkingsformule

Zoals eerder vermeld, kan de versterkerversterking worden afgeleid uit de uitgangsvergelijking van de versterker. De outputvergelijking is als volgt:

Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Deze vergelijking vergelijken met de volgende vergelijking:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

We kunnen schrijven,

k = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) / R3, dit is de versterkingsformule van de instrumentatieversterker.

Instrumentatieversterker IC

Typische versterkers worden verpakt via Integrated Circuit of IC's. Dus als we een instrumentale versterker willen bouwen met gewone op-amps, moeten we op-amp-IC's gebruiken. Er is ook een apart IC beschikbaar voor instrumentatieversterkers. Het is niet nodig om de ene op-amp met de andere te verbinden. Dit soort IC's wordt commercieel gebruikt waar meer aantallen IC's tegelijk worden gebruikt.

Instrumentatie versterker module

Instrumentatieversterkermodules zijn een combinatie van een paar elektronische apparaten, en de belangrijkste daarvan zijn de instrumentatieversterkers. Twee van de uitstekende instrumentatieversterkers zijn AD623, AD620.

De modules worden expliciet gebruikt in medische apparatuur met laag vermogen, signaalversterker met laag vermogen, thermokoppels. Enkele van de kenmerken zijn - a) Het biedt een hogere versterking, b) Betere stabiliteit, c) Laag vermogen d) Hoge nauwkeurigheid.

Instrumentale versterker IC-lijst

Omdat een instrumentatieversterker met verschillende IC's kan worden gebouwd, hebben we een lijst gemaakt van alle IC's die voor instrumentale versterkers kunnen worden gebruikt. De IC-nummers staan ​​in de lijst.

Instrumentatie Versterker Load Cell

De prestaties van de instrumentatieversterker nemen geleidelijk toe bij het aansluiten van de loadcel. De versterker biedt hogere CMRR, hogere ingangsimpedanties en verbetert daarmee de prestaties. De gedetailleerde aansluiting voor de instrumentatieversterker met weegcel wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.

Instrumentatie Offset-spanning van de versterker

Elke op-amp heeft zijn offsetspanning. De offsetspanning wordt gedefinieerd als de must een spanning nodig heeft die moet worden toegepast tussen twee ingangen om het verschil ertussen op te heffen en deze offsetwaarde van elke op-amp wordt gespecificeerd in het gegevensblad van de fabrikant. Voor instrumentatieversterkers is de offsetspanning aanzienlijk lager, wat wenselijk is.

Instrumentatie Versterker Uitgangsgolfvorm

Om de output van een instrumentatieversterker te observeren, moeten we deze verbinden met een CRO (Cathode Ray Oscilloscope). We leveren input als sinusgolven als twee inputsignalen, en het werk wordt gemeten vanaf de laatste versterker. Coaxiale sondes zijn verbonden met de pinnen om de uitgangsgolfvorm te observeren. De onderstaande afbeelding toont de uitvoer. De output is het versterkte verschil tussen de aangelegde ingangsspanningen.

Instrumentatie Versterker overdrachtsfunctie

De overdrachtsfunctie van een systeem verwijst naar het proces dat de uitvoer beschrijft of levert voor elke invoer. Aangezien de versterker twee ingangen gebruikt en deze versterkt, zal de overdrachtsfunctie hetzelfde weerspiegelen. De overdrachtsfunctie kan worden geschreven als:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Hier zijn Vi1 en Vi2 de twee ingangen, en k is de versterking.

Dubbele instrumentatieversterker

Een dubbele instrumentatieversterker is een speciaal soort instrumentatieversterker met een grote nauwkeurigheid. Het is op een bepaalde manier ontworpen om een ​​hoge versterking en grotere nauwkeurigheid te bieden vanaf een minimale grootte van IC. Het heeft ook een lage offsetspanning. Voor een grotere bandbreedte en een aangesloten externe weerstand kan de dubbele versterker tot 10,000 versterking leveren.

De INA2128 IC wordt gebruikt als een dubbele instrumentale versterker. Enkele van de belangrijke toepassingen van dubbele instrumentatieversterkers zijn sensorversterkers, medische technische apparatenen op batterijen werkende apparatuur.

Instrumentatieversterker versus operationele versterker

Instrumentatieversterker voor- en nadelen

Instrumentatieversterkers zijn ontwikkeld om meer voordelen te behalen ten opzichte van typische differentiële versterkers. Daarom worden instrumentatieversterkers in de meeste commerciële toepassingen gebruikt. Maar het heeft ook enkele voordelen. Laten we enkele van de voor- en nadelen van instrumentatieversterkers bespreken.

voordelen

1. Nauwkeurigheid en precisie in maat: Instrumentatieversterkers worden gebruikt voor test- en meetdoeleinden. Instrumentversterkers hoeven niet overeen te komen met de ingangsimpedanties. Daarom zijn ze zo handig om te testen. De betere parametrische waarden zoals hogere CMRR, hoge ingangsimpedantie krijgen ook voordelen.

2. Versterking: instrumentatieversterkers bieden hogere waarden voor open-lusversterking. Het is een duidelijker voordeel dat ook een essentiële vereiste is voor de versterkers.

3. Stabiliteit van het systeem: Binnenin de instrumentatieversterkers zijn alle normale op-amps aangesloten in negatieve feedback. Zoals we weten, stabiliseert negatieve feedback het systeem; de stabiliteit van de instrumentatieversterker is ook hoog.

4. Schaalbaarheid: Instrumentatieversterkers zijn ongelooflijk schaalbaar. Het biedt de mogelijkheid om het signaal op het ingangsniveau te schalen. Daarom is de algehele versterking veel groter dan bij andere versterkers. Het bereik voor schaalvergroting is ook om die reden hoog.

5. Toegankelijkheid: Instrumentatieversterkers worden geleverd in IC's. Er zijn XNUMX-pins IC's beschikbaar. Het is dus gemakkelijker te hanteren en te gebruiken. Er zijn ook niet veel factoren waarmee u rekening moet houden tijdens de versterking. De gebruiker hoeft alleen het ingangssignaal goed te kennen. Laten we eens kijken naar de nadelen van de instrumentatieversterkers.

Nadelen

1. De instrumentatieversterker lijdt aan het probleem van langeafstandstransmissie. De versterker heeft de neiging om de originele signalen te vermengen met de ruis als het ingangssignaal wordt verzonden voor een groter bereik voor communicatie. Het probleem kan worden opgelost als het kabeltype kan worden geïmproviseerd, zodat de ruis in de primaire fase wordt geannuleerd of er geen ruis de transmissielijn binnenkomt.

Instrumentatie Versterkerkarakteristieken

Laten we eens kijken naar de kenmerken van de instrumentatieversterkers in één oogopslag.

• Instrumentatieversterkers zijn differentiële versterkers die bestaan ​​uit drie op-amps.
• Het biedt een hogere open-lusversterking dan typische op-amps.
• Het heeft een hogere CMRR, hogere ingangsimpedantie, lage offsetspanningen, lagere uitgangsimpedanties, waardoor het dicht bij de ideale op-amp komt.
• Instrumentatieversterkers bieden een hogere nauwkeurigheid en precisie bij gebruik bij testen en meten.
• Instrumentatieversterkers zijn beschikbaar in IC's voor commerciële doeleinden.

2 op amp instrumentatie versterker

Typische instrumentatieversterkers bestaan ​​uit 3 versterkers, maar het is ook mogelijk om een ​​instrumentatieversterker te maken met behulp van een twee-op-amp. De onderstaande afbeelding toont de a 2 op amp gebaseerd instrumentatieversterkercircuit.

instrumentatie versterker ruisanalyse

Er zijn bepaalde soorten instrumentatieversterkers beschikbaar voor het meten van het zwakste signaal in een lawaaierige omgeving. Ze staan ​​bekend als ruisinstrumentatieversterkers. Dit soort instrumentatieversterkers worden gebruikt voor ruisanalyse.

Instrumentatieversterker voor stroomdetectie

Er zijn afzonderlijke stroomdetectieversterkers op de markt verkrijgbaar voor stroomdetectie. Maar een instrumentatieversterker kan ook stroomdetectie aansturen. Het belangrijkste verschil tussen de twee versterkers zit in de ingangstopologie.

Veelgestelde Vragen / FAQ

1. Waarom een ​​instrumentatieversterker gebruiken?

Antwoord: Instrumentatieversterkers bieden een hogere versterking, hogere CMRR, hogere ingangsimpedanties, lagere uitgangsimpedanties. We kunnen dus zien dat het zeer nauwe eigenschappen bezit van een ideale op-amp. Daarom wordt een instrumentatieversterker gebruikt.

2. Wanneer een instrumentatieversterker gebruiken?

Antwoord: IInstrumentatie-versterkers zijn vereist elke keer dat de gebruiker een hogere versterking nodig heeft met een betere stabiliteit van het systeem om een ​​signaal te versterken. Als de gebruiker zeer nauwkeurige testresultaten en metingen nodig had, dan is de instrumentatieversterker uitkomst.

3. Wat is een instrumentatieversterker voor load cell?

Antwoord: De prestatie van de instrumentatieversterker neemt geleidelijk toe bij het aansluiten van de loadcel. De versterker biedt hogere CMRR, hogere ingangsimpedanties en verbetert daarmee de prestaties. De gedetailleerde aansluiting voor de instrumentatieversterker met weegcel wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. (Punt om op te merken - Verbind alle grond.

4. Wat is een schakelschema van een instrumentatieversterker voor een biosignaal met een versterking van duizend?

Antwoord: De standaard aansluiting van de instrumentatieversterker zorgt voor een specifieke versterking. Maar als je een externe weerstand optelt, krijg je een boost van duizend.

5. Wat is het werkingsprincipe van een instrumentatieversterker?

Antwoord: Het werkingsprincipe van de instrumentatieversterker is hetzelfde als dat van een differentiële versterker. Het neemt de ingangsspanningen en versterkt het verschil om dat versterkte verschil als uitgang te leveren.

Eigenlijk: Uitgang = winst * (Ingang1 - Ingang2)

6. Wat zijn de voordelen van het gebruik van een instrumentatieversterker boven een gewone differentiaalversterker bij het meten van lage signalen en spanningen?

Antwoord: De voordelen zijn -

• Nauwkeurigheid en precisie in maat: Instrumentatieversterkers worden gebruikt voor test- en meetdoeleinden. Instrumentversterkers hoeven niet overeen te komen met de ingangsimpedanties. Daarom zijn ze zo handig om te testen. De betere parametrische waarden zoals hogere CMRR, hoge ingangsimpedantie krijgen ook voordelen.
• Gain: Instrumentatieversterkers bieden grotere waarden voor open-lusgroei. Het is een duidelijker voordeel dat ook een essentiële vereiste is voor de versterkers.
• Stabiliteit van het systeem: in de instrumentatieversterkers zijn alle normale op-amps verbonden met negatieve feedback. Zoals we weten, stabiliseert negatieve feedback het systeem; de stabiliteit van de instrumentatieversterker is ook hoog.
• Schaalbaarheid: instrumentatieversterkers zijn ongelooflijk schaalbaar. Het biedt de mogelijkheid om het signaal op het ingangsniveau te schalen. Daarom is de algehele versterking veel groter dan bij andere versterkers. Het bereik voor schaalvergroting is ook om die reden hoog.
• Toegankelijkheid: instrumentatieversterkers worden geleverd in IC's. Er zijn XNUMX-pins IC's beschikbaar. Het is dus gemakkelijker te hanteren en te gebruiken. Er zijn ook niet veel factoren waarmee u rekening moet houden tijdens de versterking. De gebruiker moet het ingangssignaal goed kennen.

7. Waarom is CMRR belangrijk in instrumentatieversterker?

Antwoord: CMRR is een essentiële parameter voor het meten van de prestaties van een op-amp. CMRR schat hoeveel common-mode-signaal er in de uitvoermeting zal verschijnen. Instructieversterker, een op-amp die expliciet wordt gebruikt voor meet- en testdoeleinden, moet de laagste CMRR hebben. Het is een basisbehoefte voor de op-amp; anders heeft dit invloed op de meting.

8. Wat is het verschil tussen een instrumentatieversterker en een inverterende opteller die twee op-amps gebruikt?

Antwoord: Het verschil zit in de werking en ook in de parameterwaarden. Ingangen voor een instrumentatieversterker worden nooit geleverd in de inverterende klemmen. Er zullen dus veranderingen zijn. De instrumentatieversterkers hebben ook buffercircuits en de terugkoppelingen ervan zijn negatieve feedback die de stabiliteit van het systeem verhoogt. Er zijn dus enorme afwijkingen van de daadwerkelijke resultaten.

9. Wat is het doel van een buffer in een instrumentatieversterker?

Antwoord: De buffer in de instrumentatieversterker is op veel manieren nuttig. De buffer verhoogt de ingangsimpedantie, wat zeer noodzakelijk is. Het elimineert ook het verschil tussen twee ingangsspanningen; dus de offset-spanningswaarde wordt verlaagd. Het heeft ook invloed op de CMRR.

10. Wat zijn goede vuistregels voor het bouwen van instrumentatieversterkers?

Antwoord: Er zijn niet zulke harde en snelle regels voor het ontwerpen of bouwen van instrumentatieversterkers. Maar er zijn enkele praktische tips. Sommigen van hen zijn - a) Ontwerp het circuit symmetrisch, b) Implementeer de versterking in de eerste fase, c) Houdt rekening met de factoren CMRR, thermokoppeleffecten en weerstandswaarden, d) Ontwerp de tweede fase.

11. Hoe verwijder ik offsetspanning in de instrumentatieversterker?

Antwoord: De offsetspanning van elke versterker kan worden verwijderd door een instelbare stroom van een spanningsbron te leveren. Een hoogwaardige weerstand moet tussen de stroom en de op-amp worden geplaatst.

Voor meer elektronica gerelateerd artikel klik hier

Soedipta Roy

Hallo, ik ben Sudipta Roy. Ik heb B. Tech in elektronica gedaan. Ik ben een elektronica-liefhebber en houd mij momenteel bezig met elektronica en communicatie. Ik heb een grote interesse in het verkennen van moderne technologieën zoals AI en Machine Learning. Mijn geschriften zijn gewijd aan het verstrekken van nauwkeurige en bijgewerkte gegevens aan alle leerlingen. Iemand helpen bij het opdoen van kennis geeft mij enorm veel plezier.
Laten we verbinding maken via LinkedIn –