DE102022103729A1 - Instrumentenverstärker mit umschaltbaren Verstärkerstufen - Google Patents

Instrumentenverstärker mit umschaltbaren Verstärkerstufen Download PDF

Info

Publication number
DE102022103729A1
DE102022103729A1 DE102022103729.0A DE102022103729A DE102022103729A1 DE 102022103729 A1 DE102022103729 A1 DE 102022103729A1 DE 102022103729 A DE102022103729 A DE 102022103729A DE 102022103729 A1 DE102022103729 A1 DE 102022103729A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
resistor
output
amplifier
analog switch
operational amplifier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102022103729.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Heinz Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFM Electronic GmbH
Original Assignee
IFM Electronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFM Electronic GmbH filed Critical IFM Electronic GmbH
Publication of DE102022103729A1 publication Critical patent/DE102022103729A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/45475Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using IC blocks as the active amplifying circuit
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/02Arrangements in which the value to be measured is automatically compared with a reference value
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/10AC or DC measuring bridges
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers
    • H03F3/45071Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45479Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection
    • H03F3/45928Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of common mode signal rejection using IC blocks as the active amplifying circuit
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03GCONTROL OF AMPLIFICATION
    • H03G3/00Gain control in amplifiers or frequency changers
    • H03G3/001Digital control of analog signals
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2200/00Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/261Amplifier which being suitable for instrumentation applications
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F2203/00Indexing scheme relating to amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements covered by H03F3/00
    • H03F2203/45Indexing scheme relating to differential amplifiers
    • H03F2203/45522Indexing scheme relating to differential amplifiers the FBC comprising one or more potentiometers

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

Instrumentenverstärker mit zwei Operationsverstärkern (1, 2), deren nichtinvertierende Eingänge zur Verbindung mit einer Wheatstone'schen Messbrücke (3) vorgesehen sind, der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers (1) über einen ersten Widerstand (R1) mit einem Anschluss zur Bestimmung der Ausgangsreferenz und über einem zweiten Widerstand (R2) mit dem eigenen Ausgang verbunden ist, und der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (2) über einen dritten Widerstand (R3) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (1) und über einen vierten Widerstand (R4) mit dem eigenen Ausgang verbunden ist, wobei erfindungsgemäß die invertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker (1, 2) über einen Analogschalter (4) miteinander verbunden sind, durch den ein zur Einstellung einer gewünschten Verstärkung vorgesehener Widerstand (RG1) zuschaltbar ist, wobei sich dieser Widerstand (RG1) zur Erreichung einer hohen Gleichtaktunterdrückung in zwei Einzelwiderstände (RG1a, RG1b) gleicher Größe aufteilt, welche jeweils symmetrisch in Reihe um den Analogschalter (4) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Instrumentenverstärker mit umschaltbaren Verstärkerstufen, d. h. mit einstellbarer Verstärkung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Instrumentenverstärker sind in Messwandlern für die Prozessmesstechnik, insbesondere zur Auswertung von Wheatstoneschen Messbrücken zur Temperatur- oder Druckmessung, seit langem bekannt und inzwischen weit verbreitet. Sie weisen mindestens zwei Operationsverstärker auf. Die Messsignale aus diesen Messbrücken sind relativ klein und müssen zur weiteren Verarbeitung zum Teil erheblich verstärkt werden.
  • Wenn mit ein und derselben Messzelle unterschiedliche Messbereiche realisiert werden sollen, erfordert das naturgemäß auch unterschiedliche Verstärkungsfaktoren des Instrumentenverstärkers. Da einfache und deshalb kostengünstig aufgebaute Instrumentenverstärker stets mit nur einem festen Verstärkungsfaktor versehen sind, wären somit verschiedene Bestückungsvarianten für unterschiedliche Messbereiche erforderlich. Spezielle Front-End-ASICs sind sehr aufwändig und für viele Anwendungen deutlich zu teuer.
  • Die DE 10 2015 101 741 B4 beschreibt einen Instrumentenverstärker mit wenigstens einer ersten und einer zweiten (Verstärker-) Stufe und einem Widerstandsnetzwerk, um die Verstärkung der zwei Stufen festzulegen. Der Offset wird mit gesteuerten Digital-Analog-Wandlern (DAC) unterdrückt. Diese Anordnung wird als zu aufwändig angesehen.
  • Aus der JP 2012-15676 A ist ein Differenzverstärker bekannt, der einen ersten Operationsverstärker und einen zweiten Operationsverstärker umfasst und bei dem die Verstärkung mittels zuschaltbarer Widerstände einstellbar ist. Der Aufbau mit zwei Analogschaltern pro Verstärkerstufe ist hier jedoch vergleichsweise aufwendig.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile zu überwinden und eine einfache Umschaltmöglichkeit für Instrumentenverstärker mit mindestens zwei unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren anzugeben, die unkompliziert zu handhaben und kostengünstig herstellbar ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit der im Patentanspruch 1 beschriebenen Anordnung. Die abhängigen Ansprüche bestreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
  • Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die Verstärkung zunächst in bekannter Weise mit einem Widerstandsnetzwerk einzustellen, die weitere Einstellung jedoch durch Zuschalten eines zusätzlichen Widerstandes über nur einen Analogschalter vorzunehmen. Die Erfindung umfasst dabei auch die Möglichkeit, mehrere zusätzliche Widerstände durch entsprechend weitere Analogschalter zuzuschalten, um die Möglichkeit zu realisieren, einfach und schnell mehrere Verstärkungsfaktoren einstellen zu können. Die Anzahl der Verstärkungsstufen kann je nach Bedarf nahezu beliebig erweitert werden. Pro Verstärkerstufe ist dabei aber jeweils nur ein Analogschalter erforderlich.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung benötigt lediglich einen zusätzlichen Analogschalter in Verbindung mit einem zusätzlichen Widerstand pro Verstärkungsstufe, wobei sich dieser Widerstand aus Gründen der Impedanz-Balance in zwei Einzelwiderstände gleicher Größe aufteilt, welche jeweils symmetrisch in Reihe um den Analogschalter angeordnet sind. Dadurch wird eine hohen Gleichtaktunterdrückung erreicht. Der zusätzliche Widerstand bewirkt nun in bekannter Weise sowohl bei asymmetrischen als auch bei symmetrischen Instrumentenverstärkern die gewünschte Verstärkungserhöhung.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist eine systematische Parallelansteuerung der zusätzlichen Widerstände, um so eine Vielzahl von unterschiedlich wirksamen Kombinationen zu generieren, so dass sich mit zwei Steuerpins bereits vier verschiedene Verstärkungen einstellen lassen.
  • Die Kosten pro Analogschalter liegen im €-Cent-Bereich. Die zusätzlich benötigten Widerstände kostet noch weniger.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
    • 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Instrumentenverstärker in einer vereinfachten Darstellung.
    • 2 zeigt Instrumentenverstärker aus 1 zur näheren Erläuterung ohne die Analogschalter.
  • Die 1 zeigt zwei Operationsverstärker 1 und 2, die mit einer Wheatstoneschen Messbrücke 3 verbunden sind. Die Messbrücke 3 wird mit einer Referenzspannung Vref gespeist. Die Verstärkung wird mit dem Widerstandsnetzwerk R1 bis R4 eingestellt.
  • Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 1 ist über einen ersten Widerstand R1 mit einem mit UOUT_REF bezeichneten Anschluss zur Bestimmung der Ausgangsreferenz und über einem zweiten Widerstand R2 mit dem eigenen Ausgang verbunden. Der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 2 ist über einen dritten Widerstand R3 mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 1 und über einen vierten Widerstand R4 mit dem eigenen Ausgang verbunden. Die Messspannung kann am Ausgang U_OUT abgenommen werden. Die Wirkungsweise dieser Messanordnung wird als dem Fachmann bekannt angesehen und muss deshalb nicht näher erläutert werden.
  • Erfindungsgemäß ist ein erster Analogschalter 4 und wahlweise auch ein zweiter Analogschalter 6 mit dem Widerstandsnetzwerk R1 bis R4 verknüpft, welche zusätzliche Widerstände RG1 und/oder RG2 parallel zum Widerstandsnetzwerk für die Grundverstärkung dazuschalten und damit die Verstärkung des Instrumentenverstärkers beeinflusst (erhöht) wird. So lassen sich in der dargestellten Konstellation mit den beiden Steueranschlüssen GAIN1 und GAIN2 (zwei Bit) vier verschiedene Verstärkungen einstellen.
  • Entscheidend dabei ist, dass sich diese zusätzlichen Widerstände RG1, RG2 aus Gründen der Impedanz-Balance jeweils in zwei Einzelwiderstände RG1a, RG1b bzw. RG2a, RG2b gleicher Größe aufteilen und diese jeweils symmetrisch in Reihe um den jeweiligen Analogschalter 4, 6 angeordnet sind. Dadurch wird eine hohen Gleichtaktunterdrückung erreicht.
  • Die 2 dient zur näheren Erläuterung. Sie zeigt den Instrumentenverstärker aus der 1 mit nur einem ergänzenden verstärkungsbestimmenden Widerstand RG1 und ohne den dazugehörigen Analogschalter, der in der 1 mit 4 bezeichnet ist. Die Grundverstärkung des Instrumentenverstärkers beträgt 1+R2/R1 bzw. 1+R3/R4 und wird durch Parallelschalten von RG1 und/oder RG2 erhöht.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Erster Operationsverstärker
    2
    Zweiter Operationsverstärker
    3
    Wheatstonesche Messbrücke
    4
    Erster Analogschalter
    6
    Zweiter Analogschalter
    R1 bis R4
    Widerstandsnetzwerk
    RG1
    Erster Zusatzwiderstand für die erste Verstärkungserhöhung
    RGla
    erster Teilwiderstand des ersten Zusatzwiderstands RG1
    RG1b
    zweiter Teilwiderstand des ersten Zusatzwiderstands RG1
    RG2
    Zweiter Zusatzwiderstand für die zweite Verstärkungserhöhung
    RG2a
    erster Teilwiderstand des zweiten Zusatzwiderstands RG2
    RG2b
    zweiter Teilwiderstand des zweiten Zusatzwiderstands RG2
    Gain1
    Erster Steuereingang
    Gain2
    Zweiter Steuereingang
    UOUT_REF
    Anschluss zur Bestimmung der Ausgangsreferenz
    U_OUT
    Ausgang für die Messspannung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015101741 B4 [0004]
    • JP 2012015676 A [0005]

Claims (3)

  1. Instrumentenverstärker mit zwei Operationsverstärkern (1, 2), deren nichtinvertierende Eingänge zur Verbindung mit einer Wheatstone'schen Messbrücke (3) vorgesehen sind, der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers (1) über einen ersten Widerstand (R1) mit einem Anschluss zur Bestimmung der Ausgangsreferenz und über einem zweiten Widerstand (R2) mit dem eigenen Ausgang verbunden ist, und der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (2) über einen dritten Widerstand (R3) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (1) und über einen vierten Widerstand (R4) mit dem eigenen Ausgang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die invertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker (1, 2) über einen Analogschalter (4) miteinander verbunden sind, durch den ein zur Einstellung einer gewünschten Verstärkung vorgesehener Widerstand (RG1) zuschaltbar ist, wobei sich dieser Widerstand (RG1) zur Erreichung einer hohen Gleichtaktunterdrückung in zwei Einzelwiderstände (RG1a, RG1b) gleicher Größe aufteilt, welche jeweils symmetrisch in Reihe um den Analogschalter (4) angeordnet sind.
  2. Instrumentenverstärker gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die invertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker (1, 2) über einen zweiten Analogschalter (6) miteinander verbunden sind, durch den ein weiterer Widerstand (RG2) zuschaltbar ist, wobei sich dieser Widerstand (RG2) ebenfalls in zwei Einzelwiderstände (RG2a, RG2b) gleicher Größe aufteilt, welche jeweils symmetrisch in Reihe um den zweiten Analogschalter (6) angeordnet sind.
  3. Instrumentenverstärker gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analogschalter (4, 6) über jeweils einen Steuereingang (Gain1, Gain2) derart steuerbar sind, dass die kombinatorisch möglichen vier verschieden Verstärkungsvarianten einstellbar sind.
DE102022103729.0A 2021-02-18 2022-02-17 Instrumentenverstärker mit umschaltbaren Verstärkerstufen Ceased DE102022103729A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021103836.7 2021-02-18
DE102021103836 2021-02-18

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022103729A1 true DE102022103729A1 (de) 2022-08-18

Family

ID=82610772

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022103729.0A Ceased DE102022103729A1 (de) 2021-02-18 2022-02-17 Instrumentenverstärker mit umschaltbaren Verstärkerstufen

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022103729A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022111281A1 (de) 2021-05-07 2022-11-10 Ifm Electronic Gmbh Messwandler mit einer Widerstandsmessbrücke und einem Instrumentenverstärker und Verfahren zum Betreiben solcher Messwandler

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012015676A (ja) 2010-06-30 2012-01-19 New Japan Radio Co Ltd 可変ゲイン差動入出力アンプ
EP1191348B1 (de) 2000-09-26 2013-11-13 Atlas Elektronik Gmbh Schaltungsanordnung zur umschaltbaren Verstärkung von Analogsignalen
DE102015101741B4 (de) 2014-02-14 2021-02-11 Analog Devices Global Verstärker mit Offset-Kompensation

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1191348B1 (de) 2000-09-26 2013-11-13 Atlas Elektronik Gmbh Schaltungsanordnung zur umschaltbaren Verstärkung von Analogsignalen
JP2012015676A (ja) 2010-06-30 2012-01-19 New Japan Radio Co Ltd 可変ゲイン差動入出力アンプ
DE102015101741B4 (de) 2014-02-14 2021-02-11 Analog Devices Global Verstärker mit Offset-Kompensation

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022111281A1 (de) 2021-05-07 2022-11-10 Ifm Electronic Gmbh Messwandler mit einer Widerstandsmessbrücke und einem Instrumentenverstärker und Verfahren zum Betreiben solcher Messwandler

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69029085T2 (de) Schaltung zur Verhinderung von Nebensprechkomponenten
DE102022103729A1 (de) Instrumentenverstärker mit umschaltbaren Verstärkerstufen
DE10345100B4 (de) Differenzverstärkeranordnung
DE10164382C1 (de) Integrierte Schaltungsanordnung mit einem Transkonduktanzverstärker
DE19518734C1 (de) Transimpedanzverstärkerschaltung
DE102010027567B4 (de) Tastkopf-System mit verschiedenen Verstärkern für die hochfrequente und niederfrequente Komponente
EP0151769A2 (de) Integrierbarer Analog/Digitalwandler
DE1183136B (de) Regelstufe zur automatischen Verstaerkungsregelung
EP0122300B1 (de) Integrierte Schaltung zur Erzeugung einer mittels eines Digitalsignals einstellbaren Klemmenspannung
WO2003049282A1 (de) Voll differentieller differenzverstärker mit hoher eingangsimpedanz
DE10047396C1 (de) Schaltungsanordnung zur umschaltbaren Verstärkung von Analogsignalen
DE69010711T2 (de) Differenzverstärker.
DE4140112A1 (de) Verfahren und schaltung zur messung von teilchenstroemen
DE2503384C3 (de) Differenzverstärker für den Subnanosekundenbereich
DE3232026C2 (de)
DE2706574C2 (de) Spannungsgesteuerte Verstärkerschaltung
DE1811989A1 (de) Elektrokardiograph
DE2209899C3 (de) Verstärkerschaltung mit vier Bipolartransistoren vom selben Typ
DE102022111281A1 (de) Messwandler mit einer Widerstandsmessbrücke und einem Instrumentenverstärker und Verfahren zum Betreiben solcher Messwandler
DE4101577A1 (de) Transkonduktanzverstaerker
DE1280306B (de) Elektronische Schaltanordnung zur Umschaltung der Polaritaet einer Eingangsspannung
DD293234A5 (de) Schaltungsanordnung zur impedanzwandlung
DE2950824A1 (de) Breitbandoperationsverstaerker
DD224703A1 (de) Schaltungsanordnung zum summieren von signalspannungen
DD157587A1 (de) Niederfrequenz-gegentaktverstaerker mit symmetrischer stromversorgung

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final