DE102022103729A1 - Instrumentenverstärker mit umschaltbaren Verstärkerstufen - Google Patents

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.

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