NL9200974A - Instrumentatieversterker. - Google Patents

Description

Instrumentatieversterker

De uitvinding heeft betrekking op een instrumentatieversterker, omvattende een referentietrap met een referentieversterker en een verge-lijkingstrap met een vergelijkingsversterker, waarbij een eerste ingang van de referentieversterker met een eerste ingang van de instrumentatieversterker, een eerste ingang van de vergelijkingsversterker met een tweede ingang van de instrumentatieversterker, en een uitgang van de vergelijkingsversterker met een uitgang van de instrumentatieversterker is verbonden, en waarbij een tweede ingang van de vergelijkingsversterker via een eerste impedantie met een uitgang van de referentieversterker en via een tweede impedantie met de uitgang van de vergelijkingsversterker is verbonden. Een dergelijke instrumentatie-versterker is bekend uit het boek "The Art of Electronics" van P. Horowitz en W. Hill, New York, 1989, bladzijde 428.

Een instrumentatieversterker wordt gebruikt voor het versterken van een kleine te meten verschilspanning ("differential mode voltage") die gesuperponeerd is op een relatief grote gemeenschappelijke spanning ("common mode voltage"). Een dergelijke meetsituatie wordt bijvoorbeeld aangetroffen in biomedische toepassingen. Bij het meten van bio-elektri-sche signalen bij patiënten kan bijvoorbeeld een potentiaal-verschil van enkele volts bestaan tussen de gemiddelde potentiaal van de patiënt en de nulpotentiaal ("common") van de versterker, terwijl het te meten bio-elektrische signaal kleiner is dan 1 mV. Ook in de industrie zijn talloze voorbeelden van een dergelijke meetsituatie te vinden, zoals temperatuur-metingen m.b.v. thermokoppels of thermistors, belastmgmetingen m.b.v. rekstrookjes, en metingen van bewegingen en posities m.b.v. daarvoor geschikte transducenten.

Aan een instrumentatieversterker worden onder meer de volgende eisen gesteld: een lage versterkerruis, een hoge mgangsimpedantie voor gemeenschappelijke signalen ("common mode input impedance"), een hoge rejectiefactor voor gemeenschappelijke signalen ("common mode rejection ratio"), een groot bereik voor gemeenschappelijke signalen ("common mode input range") en een nauwkeurig vastgelegde versterkingsfactor voor ver-schilsignalen ("differential gain"). De uit de genoemde publikatie bekende instrumentatieversterker kan uit een gering aantal componenten worden opgebouwd en bezit goede ruiseigenschappen. Deze bekende versterker heeft echter belangrijke beperkingen bij een lage versterkingsfactor voor ver- schilsignalen: het ingangsbereik voor gemeenschappelijke signalen is beperkt en de rejectiefactor voor gemeenschappelijke signalen is sterk afhankelijk van de tolerantie van de toegepaste weerstanden.

Aan instrumentatieversterkers voor biomedische toepassingen worden aanvullende eisen gesteld: de versterkersfactor voor verschilsignalen moet groot zijn (bijvoorbeeld 1000 - 10.000 voor ECG-metingen en 10.000 -100.000 voor EEG-metingen), de versterker mag niet in verzadiging raken als gevolg van de relatief grote gelijkspanningsverschillen tussen de elektroden ("electrode offset"), en het ingangsbereik voor gelijkspan-nings-verschilsignalen ("differential DC input range") dient tenminste 300 mV te bedragen. Teneinde verzadiging van de instrumentatieversterker te voorkomen is het doelmatig als deze een hoogdoorlaat-karakteristiek bezit met bijvoorbeeld een kantelpunt rond 0,16 Hz.

Verder is het vooral in biomedische toepassingen .van belang dat de instrumentatieversterker kleine afmetingen heeft en weinig vermogen verbruikt .

Teneinde aan de bovengenoemde eisen te voldoen is verder voorgesteld een instrumentatieversterker met een lage versterkingsfactor als ingangstrap te gebruiken en vervolgens een hoge versterking tot stand te brengen d.m.v. een aantal capacitief gekoppelde versterkertrappen. Dit leidt echter tot een relatief groot aantal componenten, waaronder tamelijk grote condensatoren. Zoals bekend zijn condensatoren met grote capa-citeitswaarden relatief kostbaar, terwijl zij op een plaat met gedrukte bedrading veel ruimte innemen.

De· uitvinding beoogt de bovengenoemde nadelen op te heffen en een instrumentatieversterker te verschaffen met een hoge versterkingsfactor, een goede rejectie voor gemeenschappelijke signalen, en een groot ingangsbereik voor gelijkspannings-verschilsignalen, welke instrumentatieversterker uit een minimaal aantal componenten is opgebouwd en waarbij het gebruik van grote condensatoren wordt vermeden. Volgens de uitvinding wordt dit bij een instrumentatieversterker van de in de aanhef genoemde soort aldus bereikt, dat tussen de tweede impedantie en de uitgang van de vergelijkingsversterker een eerste filterschakeling is opgenomen, waarvan een uitgang met de tweede impedantie, een eerste ingang via een derde impedantie met de uitgang van de vergelijkingsversterker, en een tweede ingang met de uitgang van de referentieversterker is verbonden.

Door tussen de tweede impedantie en de uitgang van de vergelijkingsversterker, d.w.z. in het terugkoppelnetwerk van de vergelijkingsversterker, een filterschakeling op te nemen kan op eenvoudige wijze de gewenste karakteristiek van de versterker worden bereikt. Door de filter- schakeling bijvoorbeeld als integrator uit te voeren worden gelijkspanningen maximaal teruggekoppeld, terwijl hoge frequenties een relatief kleine mate van terugkoppeling ondervinden. Hierdoor wordt de gewenste hoogdoorlaat-karakteristiek verkregen. Het is echter in principe ook mogelijk de filterschakeling als differentiator uit te voeren, waardoor bijvoorbeeld een laagdoorlaat-karakteristiek wordt bereikt. Door een integrator en een differentiator in bijvoorbeeld dezelfde filterschakeling te combineren kan een geschikte frequentiekarakteristiek van de instrumentatieversterker worden verkregen.

Het aanbrengen van een filterschakeling, zoals een integrator, in het terugkoppelnetwerk van de vergelijkingsschakeling heeft in principe een nadelige invloed op de rejectiefactor van de instrumentatie-verster-ker. Door nu een tweede ingang van de filterschakeling met de uitgang van de referentieversterker te verbinden wordt niet alleen het uitgangssignaal van de vergelijkingsversterker maar ook dat van de referentieversterker aan de filterschakeling toegevoerd. Op deze wijze wordt bijvoorbeeld het verschil van de uitgangssignalen van de referentieversterker en de vergelijkingsversterker gefilterd (geïntegreerd of gedifferentieerd) in de terugkoppeling betrokken. Aan beide ingangen optredende signalen ("common mode signals") worden in de instrumentatieversterker volgens de uitvinding derhalve maximaal één keer versterkt en dus relatief verzwakt. Hierdoor wordt bereikt, dat de rejectiefactor voor gemeenschappelijke signalen niet nadelig wordt beïnvloed door de aanwezigheid van de filterschakeling.

Opgemerkt wordt, dat het op zich bijvoorbeeld uit "Medical & Biological Engineering & Computing", deel 29 (1991), pag. 436, bekend is om in een terugkoppelnetwerk van een instrumentatieversterker een integrerend netwerk op te nemen. Deze bekende instrumentatieversterkers zijn echter steeds voorzien van een zogenaamde stroombalans-mgangstrap, waarbij de integrator geen invloed heeft op het rejectiegedrag voor gemeenschappelijke ingangssignalen. Volgens de uitvinding wordt nu echter een integrator toegepast in een instrumentatieversterker, die bijvoorbeeld uitsluitend uit operationele versterkers kan zijn opgebouwd.

Bij voorkeur is de instrumentatieversterker volgens de uitvinding zodanig uitgevoerd, dat tussen de eerste ingang en de tweede ingang van de eerste filterschakeling een vierde impedantie is opgenomen. Door een geschikte keuze van de waarde van deze vierde impedantie kunnen de ruisonderdrukking, de versterkingsfactor voor verschilsignalen en de bandbreedte van de instrumentatieversterker op gunstige waarden worden ingesteld.

Het in de vorm van een integrerend netwerk opnemen van een filter-schakeling in het terugkoppelnetwerk van de vergelijkingsversterker verschaft een zeer kleine versterking en derhalve een relatieve verzwakking voor offset-spanningen van de op de instrumentatieversterker aangesloten elektroden. Het is echter mogelijk dat componenten van deze integrator op hun beurt offset-spanningen introduceren. Volgens de uitvinding kunnen deze offset-spanningen worden gecompenseerd door de instrumentatieversterker zodanig uit te voeren, dat tussen de derde impedantie en de uitgang van de vergelijkingsversterker een tweede filterschakeling is opgenomen, waarvan een uitgang met de derde impedantie, een eerste ingang met de uitgang van de vergelijkingsversterker en een tweede ingang met een referentiepotentiaal is verbonden. Als referentiepotentiaal kan de nul-potentiaal van de versterker worden gekozen, bijvoorbeeld de potentiaal die midden tussen de positieve en negatieve voedingsspanning is gelegen.

Indien in de eerste filterschakeling een integrator is aangebracht, kan deze met voordeel zodanig zijn uitgevoerd dat de integrator een operationele versterker omvat, waarvan een uitgang met de uitgang van de filterschakeling, een niet-inverterende ingang met de eerste ingang van de filterschakeling, en een inverterende ingang via een vijfde impedantie met de tweede ingang van de filterschakeling en via een eerste condensator met de uitgang van de filterschakeling is verbonden. Op deze wijze wordt met een zeer gering aantal componenten de gewenste integrerende werking van de filterschakeling bereikt. De filterschakeling kan op eenvoudige wijze als differentiator worden uitgevoerd, door de eerste condensator en de vijfde impedantie te verwisselen.

Ook de tweede filterschakeling kan als integrator zijn uitgevoerd. Deze is met voordeel op dezelfde wijze uitgevoerd als de eerste integrator, d.w.z. dat de integrator een operationele versterker omvat, waarvan een uitgang met de uitgang van de filterschakeling, een niet-inverterende ingang met de eerste ingang van de filterschakeling, en een inverterende ingang via een zesde impedantie met de tweede ingang van de filterschakeling en via een tweede condensator met de uitgang van de filterschakeling is verbonden.

De tweede filterschakeling kan door het verwisselen van de zesde impedantie en de tweede condensator als differentiator worden uitgevoerd. Uiteraard is het mogelijk in een filterschakeling zowel een integrator als een differentiator aan te brengen.

De instrumentatieversterker volgens de uitvinding kan verder zodanig zijn uitgevoerd dat de tweede ingang van de referentieversterker via een zevende impedantie met een referentiepotentiaal en via een achtste impedantie met de uitgang van de referentieversterker is verbonden. Ook hier kan als referentiepotentiaal de nulpotentiaal van de instrumentatie-versterker worden gebruikt.

Met de instrumentatieversterker volgens de uitvinding is het mogelijk gemeenschappelijke signalen geheel te onderdrukken, d.w.z. een ver-sterkingsfactor voor gemeenschappelijke signalen ("common mode gain") met de waarde nul te bereiken. Hiertoe wordt de instrumentatie-versterker zodanig uitgevoerd, dat de impedanties weerstanden omvatten waarvan de waarden althans bij benadering voldoen aan de relatie:

Re .R4

Rv R2.R4 + R_,.R3 + R, .R3

Hoewel de referentieversterker en de vergelijkingsversterker in principe uit discrete componenten kunnen worden opgebouwd, wordt een instrumentatieversterker met een minimaal aantal componenten bereikt indien deze zodanig is uitgevoerd, dat de referentieversterker en/of de vergelijkingsversterker een operationele versterker omvat. Een grotere versterkingsfactor voor verschilsignalen, en/of een grotere bandbreedte kan, bij een geschikte keuze van de componenten, bereikt worden door de instrumentatieversterker zodanig uit te voeren, dat de vergelijkingsversterker een cascadeschakeling van tenminste twee operationele versterkers omvat.

Een instrumentatieversterker met een uiterst geringe ingangsruis kan worden verkregen indien deze zodanig is uitgevoerd, dat de referentieversterker en/of de vergelijkingsversterker een hybride operationele versterker omvat. In dit geval worden bij voorkeur passende transistor-paren met gunstige ruiseigenschappen voor de ingangen van de referentieversterker en/of de vergelijkingsversterker geschakeld.

De bandbreedte van de instrumentatieversterker kan worden gecorrigeerd en zonodig gereduceerd door deze zodanig uit te voeren, dat de tweede en/of derde impedantie een parallelschakeling van een weerstand en een condensator omvat. Een reductie van de rejectiefactor voor gemeenschappelijke signalen kan in dit geval voorkomen worden door de zevende impedantie uit te voeren als een weerstand met daaraan parallel geschakeld een serieschakeling van een weerstand en een condensator.

De instrumentatieversterker volgens de uitvinding kan op eenvoudige wijze worden uitgebreid voor het aansluiten van meer dan twee elektroden door deze zodanig uit te voeren, dat de instrumentatieversterker tenminste twee vergelijkingstrappen omvat die elk op een respectieve ingang en uitgang van de instrumentatieversterker en op de uitgang van de referen- tieversterker zijn aangesloten. Daarbij is elke vergelijkingstrap bij voorkeur voorzien van tenminste een filterschakeling, waarvan een eerste ingang direct of indirect met de uitgang van de respectieve vergelij-kingsversterker is verbonden, en de tweede ingang met de uitgang van de referentieversterker is verbonden, zodat de gunstige eigenschappen van de instrumentatieversterker volgens de uitvinding voor alle vergelijkings-trappen behouden blijven.

Met voordeel kan de instrumentatieversterker volgens de uitvinding althans gedeeltelijk in een geïntegreerde schakeling worden ondergebracht. Aangezien de gebruikte condensatoren in de instrumentatieversterker volgens de uitvinding kleine capaciteitswaarden hebben, kunnen deze in principe ook in een geïntegreerde schakeling worden opgenomen.

De uitvinding zal in het onderstaande aan de hand van de figuren nader worden toegelicht.

Figuur 1 toont het schakelschema van een instrumentatieversterker volgens de stand van de techniek, die niet zonder meer geschikt is voor biomedische toepassingen.

Figuur 2 toont het schakelschema van een eerste uitvoeringsvorm van de instrumentatieversterker volgens de uitvinding.

Figuur 3 toont het schakelschema van een tweede uitvoeringsvorm van de instrumentatieversterker volgens de uitvinding.

Figuur 4 toont het schakelschema van een hybride verschilversterker die als referentieversterker en/of als vergelijkingsversterker in de instrumentatieversterker volgens de uitvinding kan worden toegepast.

De in figuur 1 weergegeven instrumentatieversterker volgens de stand van de techniek omvat een referentieversterker A, en een vergelij-kingsversterker A2 De referentieversterker An vormt met diens terugkop-pelnetwerk, dat uit de weerstanden R7 en Re bestaat, een referentietrap. Evenzo vormt de vergelijkingsversterker a2 met diens terugkoppelnetwerk, dat uit de weerstanden Rn en R2 is opgebouwd, een vergelijkingstrap. Een eerste ingangsklem E, van de instrumentatie-versterker is met een ingangsklem 11 van de referentieversterker Αη verbonden, terwijl een tweede ingangsklem E2 van de instrumentatie-versterker met een ingangsklem 21 van de vergelijkingsversterker A2 is verbonden. Zoals in figuur 1 is getoond, is de uitgangsklem 30 van de vergelijkingsversterker A2 met een uitgangsklem Un van de instrumentatieversterker verbonden. Hoewel deze bekende schakeling gunstige eigenschappen bezit wanneer een hoge versterkingsfactor voor verschilsignalen wordt gekozen, is deze schakeling niet zonder meer bruikbaar voor biomedische toepassingen omdat de versterker in het algemeen zal vastlopen ten gevolge van de relatief grote gelijkspanningsverschilsignalen veroorzaakt door de elektroden.

De in figuur 2 getoonde eerste uitvoeringsvorm van de instrumenta-tieversterker volgens de uitvinding omvat eveneens een op de eerste ingangsklem E1 van de instrumentatieversterker aangesloten referentie-trap, die uit de referentieversterker A1 en de impedanties R7 en Re is opgebouwd. De op de tweede ingangsklem E2 van de instrumentatieversterker aangesloten vergelijkingstrap omvat echter volgens de uitvinding niet alleen de vergelijkingsversterker A2 en de impedanties R, en R2f maar ook een filterschakeling F, en een impedantie R3. Daarbij is een uitgang 30 van de filterschakeling Fn met de impedantie R2 verbonden, die op diens beurt op een ingangsklem, in het weergegeven geval de met de inverterende ingang verbonden ingangsklem 22, van de vergelijkingsversterker A2 is aangesloten. De eerste ingang 31 van de filterschakeling F, is via de impedantie R3 met de uitgangsklem 20 van de vergelijkingsversterker A2 verbonden. Volgens de uitvinding is nu de tweede ingang 32 van de filter-schakeling F, via een verbindingslijn L op de uitgangsklem 10 van de referentieversterker A, aangesloten. Hierdoor wordt bereikt, dat een op beide ingangsklemmen E., en E2 optredend gemeenschappelijk signaal nooit meer dan één keer versterkt wordt. Hiermee wordt bereikt dat de rejectie-factor voor gemeenschappelijke signalen op zijn minst dezelfde waarde heeft als de versterkingsfactor voor verschilsignalen. In de praktijk heeft deze eigenschap het grote voordeel dat een zeer hoge rejectiefactor voor gemeenschappelijke signalen gerealiseerd kan worden zonder dat hoge eisen worden gesteld aan de tolerantie van de gebruikte onderdelen. De filterschakeling F, omvat bij voorkeur een integrator, maar kan ook een differentiator omvatten. De impedantie R3 kan bijvoorbeeld door een weerstand, maar eventueel ook door een kortsluiting worden gevormd.

In figuur 3 is een verdere uitvoeringsvorm van de instrumentatieversterker volgens de uitvinding weergegeven. Evenals in figuur 2 omvat de instrumentatieversterker van figuur 3 een referentietrap die uit de referentieversterker An en de impedanties Rv en Re is opgebouwd. De eerste ingangsklem 11 van de referentieversterker A1 is ook hier met de eerste ingangsklem E, van de instrumentatieversterker verbonden, terwijl de impedantie R_, via de aansluitklem 1 op een referentiepotentiaal, zoals de nulpotentiaal van de versterker is aangesloten. In tegenstelling tot figuur 2 omvat de instrumentatie-versterker van figuur 3 twee vergelij-kingstrappen met elk een vergelijkingsversterker A2 (respectievelijk A2'), impedanties R,, R2 en R3 (respectievelijk R,’, R2' en R3'), een verbindingslijn L (respectievelijk L'), en een eerste filterschakeling F, (respectievelijk F,'). Van de vergelijkingsversterker A_, zijn de eerste ingangsklem 21 en de uitgangsklem 20 respectievelijk verbonden met de tweede ingangsklem E2 en de eerste uitgangsklem U, van de instrumentatie-versterker. Geheel analoog zijn van de vergelijkingsversterker a2' de eerste ingangsklem 21' en de uitgangsklem 20' respectievelijk verbonden met een derde ingangsklem E3 en een tweede uitgangsklem U2 van de instru-mentatieversterker.

Verder is elke vergelijkingstrap voorzien van een tweede filter-schakeling F2, respectievelijk een geheel analoog geschakelde tweede filterschakeling F-,'. De filterschakeling F2 is tussen de impedantie R3 en de uitgangsklem 20 van de vergelijkingsversterker A2 in het terugkop-pelnetwerk van deze vergelijkingsversterker opgenomen, waarbij de uitgang 40 van de filterschakeling F2 met de impedantie R3, de eerste ingang 41 met de uitgangsklem 20 van de vergelijkingsversterker A2, en de tweede ingang 42 via een aansluitklem 2 met een referentiepotentiaal, bijvoorbeeld de nulpotentiaal van de instrumentatieversterker, is verbonden.

In de weergegeven uitvoeringsvorm omvat zowel de filterschakeling Fn als de filterschakeling F2 (respectievelijk F,' en F2') een integra-torschakeling. Door de tweede integratorschakeling van de filterschakeling F2 wordt het bereik van de instrumentatieversterker vergroot. In de uitvoeringsvorm die in figuur 3 is weergegeven, omvat de filterschakeling F, een versterker A3, een eerste condensator C, en een vijfde impedantie Rs. Evenzo omvat de integratorschakeling van de filterschakeling F2 een versterker A4, een tweede condensator C2 en een zesde impedantie Re. De impedanties Rs en Re worden bij voorkeur door weerstanden gevormd, terwijl voor de versterkers A3 en A4 bij voorkeur operationele versterkers worden toegepast. De versterker A3 zorgt voor een kleine totale versterking van of f set-spannmgen van bijvoorbeeld de bij de instrumentatieversterker toegepaste elektroden, terwijl de versterker A4 de offset-spanning van de versterker A3 compenseert. Bij een geschikte dimensionering van de impedanties R, t/m R4 en een goede keuze van de operationele versterkers A3 en A4 (een lage stroomruis is hierbij essentieel, operationele versterkers met een FET-ingang voldoen goed), kunnen voor de weerstanden R5 en R6 relatief grote waarden worden gekozen (bijv. 10 ΜΩ) zonder dat de ruis van de filterschakelingen F, en F2 significant bijdraagt aan de totale ruis van de instrumentatieversterker. Het toepassen van grote weerstandswaarden voor Rs en R6 heeft als voordeel dat - bij een gegeven waarde voor het hoogdoorlaat-kantelpunt - kleine capaciteiten voor C, en C2 gebruikt kunnen worden.

De impedanties R2 en R3 kunnen met voordeel elk worden gevormd door een parallelschakeling van een weerstand en een condensator. Hierdoor wordt op eenvoudige wijze de bandbreedte van de instrumentatieversterker verkleind, waardoor een gewenste frequentiekarakteristiek kan worden verkregen. Indien dit effect niet wordt beoogd, kunnen de impedanties R, t/m Ra door weerstanden worden gevormd. De beste manier om de bandbreedte van de instrumentatieversterker te beperken is het reduceren van de bandbreedte van de operationele versterker A2 zelf. Bij de meeste operationele versterkers kan één of meer van de volgende mogelijkheden worden toegepast: a) gebruik van een geschikte externe compensatiecondensator bij ongecompenseerde operationele versterkers, b) capacitief terugkoppelen van de uitgang naar één van de offset-aansluitingen, c) kiezen van een geschikte instelstroom bij programmeerbare operationele versterkers.

Indien een hoge rejectiefactor voor gemeenschappelijke signalen bij een relatief geringe versterkingsfactor voor verschilsignalen benodigd is, kan de rejectiefactor van de instrumentatieversterker aanzienlijk worden verbeterd door de zevende impedantie R7 uit te voeren als een weerstand met daaraan parallel-geschakeld een serieschakeling van een weerstand en een condensator. Op deze wijze kan gecompenseerd worden voor de niet oneindig grote bandbreedte van de referentieversterker A,, die bijvoorbeeld als operationele versterker is uitgevoerd.

Door geschikte verhoudingen van de waarden van de impedanties, met name van de weerstanden, te kiezen kan bereikt worden dat de door de integrator veroorzaakte ruis niet wezenlijk bijdraagt aan de totale ver-sterkersruis terwijl de instrumentatieversterker tegelijkertijd een groot ingangsbereik voor gelijkspannings-verschilsignalen bezit. Bij een geschikte dimensionermg wordt het totale ruisniveau van de instrumentatieversterker alleen bepaald door de ruis van de gebruikte actieve componenten die de versterkeringangen vormen, zoals een operationele versterker, een bipolaire transistor of een veldeffecttransistor (FET).

Indien de weerstandswaarden van de impedanties zodanig worden gekozen, dat hun waarden voldoen aan de relatie,

is de versterking voor gemeenschappelijke signalen voor de instrumentatie versterker gelijk aan nul. Dit betekent, dat aan de verschillende ingangen optredende gemeenschappelijke signalen niet door de instrumentatieversterker zullen worden doorgegeven. Een verdere vereenvoudiging van de instrumentatieversterker wordt verkregen door de impedantie R7 weg te 10 laten en de impedantie Re te vervangen door een kortsluiting, waardoor de tweede ingangsklem 12 van de referentie-versterker An direct met diens uitgangsklem 10 en niet met de klem 1 is verbonden. Gebleken is dat deze vereenvoudiging geen significante verlaging van de rejectiefactor veroorzaakt, mits de versterkingsfactor voor verschilsignalen hoog is. Het laatste is in vrijwel alle biomedische toepassingen van de instrumenta-tieversterker het geval.

De in figuur 3 weergegeven instrumentatieversterker omvat twee vergelijkingstrappen. Het zal echter duidelijk zijn dat de instrumentatieversterker op eenvoudige wijze kan worden uitgebreid met meerdere vergelijkingstrappen, die elk op een verdere ingang EA en een uitgang U., zijn aangesloten, verder kan op de aansluitklem 3 steeds de impedantie R, en de lijn L van elke vergelijkingstrap worden aangesloten, zodat deze steeds met de uitgang 10 van de referentieversterker A, zijn verbonden. Interferentie wordt voorkomen doordat de gemeenschappelijke ingangsweer-stand ("common mode input impedance") voor alle ingangen Ei gelijk is.

Het uitgangssignaal van de referentieversterker A., kan echter niet alleen worden gebruikt als ingangssignaal (referentiesignaal) voor één of meer vergelijkingstrappen, maar kan ook worden gebruikt voor het aansturen van andere schakelingen, zoals een "dnven-right-leg"-Circuit en/of een "guarding"-circuit. Het toevoegen van dergelijke schakelingen zal de gevoeligheid voor interferentie sterk reduceren.

De bandbreedte en/of de versterkingsfactor van de instrumentatieversterker volgens de uitvinding kan worden vergroot door de vergelij-kingsversterker A2 uit te voeren als twee in cascade geschakelde operationele versterkers. Teneinde de versterkerruis nog verder te reduceren kunnen de referentieversterker A, en de vergelijkmgsversterker A2 worden opgebouwd uit een operationele versterker, voorafgegaan door een uit discrete transistoren opgebouwde ingangstrap. Bi] voorkeur worden hiervoor passende transistorparen met gunstige ruiseigenschappen gebruikt.

In figuur 4 is een dergelijke versterkerschakeling weergegeven. Hoewel de referentieversterker A, en de vergelijkingsversterker A2 elk uit een enkele geïntegreerde operationele versterker kunnen zijn opgebouwd, levert de toepassing van de schakeling van figuur 4 sterk verbeterde ruiseigenschappen op. De schakeling van figuur 4 omvat een operationele versterker A10 die met een uitgang 100 van de schakeling is verbonden. Tussen de ingangen 101 en 102 en de operationele versterker A10 is een verschilversterkerschakeling aangebracht, bestaande uit de transisto-ren T, en T2. Een stroomspiegel, opgebouwd uit de transistoren T3 en T4, Β.Ί1 en R12 worden de gewenste instellingen van deze zogenaamde "long tailed pair" configuratie bereikt. De positieve en negatieve voedingsspanningen worden respectievelijk op de aansluitingen 103 en 104 aangesloten. De operationele versterker A10 is bijvoorbeeld van het type TLC271, terwijl de transistoren, T,, Tz, T3 en T4 van het type LM394 kunnen zijn. Een geschikte instelling wordt verkregen indien de weer-standswaarden van de weerstanden R10, R,1 en R,2 respectievelijk 100 kD, 100 kQ en 270 kft bedragen.

De eenvoudigste manier om een bepaalde gewenste bandbreedte van de instrumentatieversterker in te stellen, is te zorgen voor een geschikte combinatie van enerzijds het type van de operationele versterker A2 en anderzijds de versterkingsfactor voor verschilsignalen. Wanneer een gecompenseerde operationele versterker wordt gebruikt, wordt het benodigde produkt van versterking en bandbreedte ("Gain-Bandwidth-Product") van A2 gegeven door het product van de gewenste bandbreedte van de instrumentatieversterker en de gewenste versterking voor verschilsignalen. Opgemerkt dient te worden dat in veel gevallen een ongecompenseerde operationele versterker voor A2 kan worden toegepast. De schakeling is stabiel met dit soort operationele versterkers mits de versterkingsfactor voor verschilsignalen hoog wordt gekozen omdat in dat geval de verhouding tussen de open-lus-versterking en de gesloten-lus-versterking van operationele versterker A2 relatief klein is. Ten opzichte van gecompenseerde operationele versterkers kan met ongecompenseerde operationele versterkers een aanzienlijke vergroting van de bandbreedte bereikt worden bij eenzelfde stroomverbruik. Merk op dat de laagdoorlaat-filterschakelingen die bij andere ontwerpen gebruikelijk zijn, bij de schakeling volgens de uitvinding doorgaans kunnen vervallen omdat, bij een geschikte keuze van de componenten, de laagdoorlaat-karakteristiek van de operationele versterker A_. benut wordt.

In de schakeling van figuur 3 kan de referentieversterker A, bijvoorbeeld van het type LT1012 zijn. De vergelijkingsversterker A2 kan, afhankelijk van de gewenste bandbreedte, bijvoorbeeld van het type LT1012 (gecompenseerd) of van het type LT1008 (ongecompenseerd) zijn. Voor versterkers A3 en A4 is de dubbele operationele versterker TLC1078 een goede keus. Geschikte weerstands- en capaciteitswaarden voor een versterkings-factor voor verschilsignalen van 20.000 en een bandbreedte van 0,2 - 40 Hz bij gebruik van de LT1Q12, of van 0,2 - 2000 Hz bij gebruik van de LT1Q08, zijn de volgende:

C, 1OOnF

C. 1OOnF

Hierbij kan de impedantie R7 zijn weggelaten, terwijl de impedantie Ra door een kortsluiting is vervangen. Het spreekt echter vanzelf dat andere weerstands- en capaciteitswaarden ook kunnen worden toegepast, in afhankelijkheid van de optimalisatie van een bepaalde eigenschap van de instrumentatieversterker.

Een dergelijke uitvoeringsvorm heeft verder het voordeel, dat met een zeer gering aantal componenten aan de gestelde specificaties wordt voldaan. Het geringe aantal onderdelen wordt vooral duidelijk indien de instrumentatieversterker volgens de uitvinding wordt vergeleken met twee in de vakliteratuur beschreven ontwerpen met vergelijkbare specificaties, te weten de "drie-opamp-versterker" zoals beschreven in het hoofdstuk "Biomedic al amplifiers", in het boek Medical Instrumentation, Application and Design, pag. 307-309, Boston (1978) door M.R. Neuman, en de "stroombalansversterker" zoals beschreven in het artikel "High quality recording of bioelectric events. II: a low-noise, low-power multichannel amplifier design", Medical & Biological Engineering & Computing, deel 29, pag. 433-440 (1991) door A.C. Metting van Rijn, A. Peper en C.A. Grimbergen. De verschillen blijken uit de volgende tabel:

Schakeling 3-opamp- Stroombalans- volgens de versterker versterker uitvinding

Transistorparen 0 02

Operationele versterkers 3-4 4 3

Weerstanden 6 11 15

Condensatoren 1-2 2 4

Totaal 10-12 17 24

De instrumentatieversterker volgens de uitvinding stelt geen hoge eisen aan de nauwkeurigheid van de waarden van de componenten en maakt fijn afstellen (trimmen) overbodig. Het is mogelijk de instrumentatieversterker met (kleine) batterijen te voeden, terwijl de kleine con-densatorwaarden en het relatief geringe aantal componenten een zeer compacte opbouw mogelijk maken.

De uitvinding verschaft derhalve een voor meerdere kanalen toepasbare instrumentatieversterker met uitstekende eigenschappen, die uit een zeer gering aantal componenten kan worden opgebouwd.

Claims (16)

1. Instrumentatieversterker, omvattende een referentietrap met een referentieversterker en een vergelijkingstrap met een vergelijkingsver-sterker, waarbij een eerste ingang van de referentieversterker met een eerste ingang van de instrumentatieversterker, een eerste ingang van de vergelijkingsversterker met een tweede ingang van de instrumentatieversterker, en een uitgang van de vergelijkingsversterker met een uitgang van de instrumentatieversterker is verbonden, en waarbij een tweede ingang van de vergelijkingsversterker via een eerste impedantie met een uitgang van de referentieversterker en via een tweede impedantie met de uitgang van de vergelijkingsversterker is verbonden, met het kenmerk, dat tussen de tweede impedantie en de uitgang van de vergelijkingsversterker een eerste filterschakeling is opgenomen, waarvan een uitgang met de tweede impedantie, een eerste ingang via een derde impedantie met de uitgang van de vergelijkingsversterker, en een tweede ingang met de uitgang van de referentieversterker is verbonden.

2. Instrumentatieversterker volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tussen de eerste ingang en de tweede ingang van de eerste filterschakeling een vierde impedantie is opgenomen.

3. Instrumentatieversterker volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat tussen de derde impedantie en de uitgang van de vergelijkingsversterker een tweede filterschakeling is opgenomen, waarvan een uitgang met de derde impedantie, een eerste ingang met de uitgang van de vergelijkingsversterker en een tweede ingang met een referentiepotentiaal is verbonden.

4. Instrumentatieversterker volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de eerste filterschakeling een integrator omvat.

5. Instrumentatieversterker volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de integrator een operationele versterker omvat, waarvan een uitgang met de uitgang van de filterschakeling, een niet-inverterende ingang met de eerste ingang van de filterschakeling, en een inverterende ingang via een vijfde impedantie met de tweede ingang van de filterschakeling en via een eerste condensator met de uitgang van de filterschakeling is verbonden.

6. Instrumentatieversterker volgens conclusie 3, 4 of 5, met het kenmerk, dat de tweede filterschakeling een integrator omvat.

7. Instrumentatieversterker volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de integrator een operationele versterker omvat, waarvan een uitgang met de uitgang van de filterschakeling, een niet-inverterende ingang met de eerste ingang van de filterschakeling, en een inverterende ingang via een zesde impedantie met de tweede ingang van de filterschakeling en via een tweede condensator met de uitgang van de filterschakeling is verbonden.

8. Instrumentatieversterker volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tweede ingang van de referentieversterker via een zevende impedantie met een referentiepotentiaal en via een achtste impedantie met de uitgang van de referentieversterker is verbonden.

9. Instrumentatieversterker volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de impedanties weerstanden omvatten waarvan de waarden althans bij benadering voldoen aan de relatie:

10. Instrumentatieversterker volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de referentieversterker en/of de vergelijkingsver-sterker een operationele versterker omvat.

11. instrumentatieversterker volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de vergelijkingsversterker een cascadeschakeling van tenminste twee operationele versterkers omvat.

12. Instrumentatieversterker volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de referentieversterker en/of de vergelijkingsversterker een hybride operationele versterker omvat.

13. Instrumentatieversterker volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de tweede en/of derde impedantie een parallelschakeling van een weerstand en een condensator omvat.

14. Instrumentatieversterker volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de zevende impedantie een weerstand en een daaraan parallelgeschakelde seneschakeling van een weerstand en een condensator omvat.

15. Instrumentatieversterker volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de instrumentatieversterker tenminste twee vergelij-kingstrappen omvat die elk op een respectieve ingang en uitgang van de instrumentatieversterker en op de uitgang van de referentieversterker zijn aangesloten.

16. Instrumentatieversterker volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat deze althans gedeeltelijk in een geïntegreerde schakeling is ondergebracht.