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3-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Applikationen Bild 3:

Applikationen Bild 3: Instrumentationsverstärker mit falscher Kopplung Bild 4: Falsche transformatorische Kopplung vonstatten geht und mit einem AC-gekoppelten Scope durchgeführt wird, praktisch nicht erkant werden. Die Schaltung wird erst Stunden später mangelhaft oder gar nicht mehr funktionieren! Es ist sehr wichtig, diese Problematik zu kennen! Bild 2 zeigt, wie einfach dies möglich ist. Für eine maximale Kompensation der Bias-Ströme in beide Eingänge ohne Messung und Abgleich muss R1 so groß bemessen werden wie die Parallel schaltung von R2 und R3; wenn, wie oft, R3 deutlich größer ist als R2, dann ist R1 = R2. Je kleiner die Widerstände, umso geringer sind die Auswirkungen bei Verstoß gegen diese Regel, da dann auch die Fehlspannung geringer ist. Ein ähnliches Problem gibt es bei Instrumentationsverstärkern (Bild 3), deren Eingänge AC-gekoppelt sind, ohne dass je ein Ableitwiderstand vorgesehen wurde. Daher sind hier ähnliche Auswirkungen wie beim Operationsverstärker zu befürchten. Es spielt dabei keine Rolle, ob der In-Amp mit dualer oder einfacher Stromquelle betrieben wird. Im Prinzip das gleiche Problem kann mit Transformatorkopplung auftreten (Bild 4). Auch hier gibt es keine dauerhafte Zu- bzw. Abflussmöglichkeit für die Bias-Ströme, welche ja gleiche Richtungen aufweisen. Der Transformator wirkt wie eine AC-Kopplung und beschert der Schaltung eine untere Grenzfrequenz. Recht einfach lässt sich auch dieses Problem durch zwei Ableitwiderstände lösen (Bilder 5 und 6). Sie haben gleiche Werte im Bereich 100 kOhm bis 1 MOhm. Dies ist eine einfache und praktische Lösung auch für die Transformatorkopplung. Besitzt dieser eine Anzapfung, so legt man einfach diese auf Masse (duale Versorgung), an eine Vorspannung oder an die Betriebsspannung (einfache Versorgung). Bei einfacher Versorgung können die Widerstände generell auch an Bild 5: Instrumentationsverstärker mit korrekter Kopplung 46 hf-praxis 3/2017

Applikationen Wie ist es richtig? Eine allgemeine Annahme ist, dass der In-Amp-Referenzeingang hochohmig wäre. Daher berechnet der Designer einen unbelasteten Spannungsteiler. In Wirklichkeit kann der Eingang den Spannungsteiler so belasten, dass die Spannung bedeutend geringer ausfällt als geplant. Der Referenzspannungseingang stellt sich nämlich oft wie in Bild 7 gezeigt dar, ist also nicht gepuffert. Daher reduzieren hochohmige Quellwiderstände die Gleichtakt-Unterdrückung und die Genauigkeit der Verstärkung. Man kann dies durch einen niederohmigen Spannungsteiler und/oder die kapazitive Entkopplung des Referenzeingangs (z.B. 10 µF gegen Masse) weitgehend vermeiden. Ist es leicht möglich einen Puffer einzusetzen, so sollte man dies tun. Bild 6: Typische Kombination In-Amp und ADC Ein Puffer hat jedoch auch einen Nachteil: Ein oft übersehener Sachverhalt ist, dass jedes Rauschen, jede Störung und jeder Transient und natürlich auch jede Drift der Versorgung um die Spannungsteilung reduziert am Referenzeingang auftritt, mit oder ohne Puffer. Praktische Lösungen sind das Bypassing und die Filterung. Aber man sieht, wie sinnvoll es erscheint, gleich eine Referenzspannungsquelle, etwa den IC ADR 121, einzusetzen, statt die Betriebsspannung direkt zu nutzen. Bild 7: Sehr unvorteilhafte Referenzspannungserzeugung Masse gelegt werden oder an eine Vorspannung. Dies richtet sich nach dem speziellen IC und dessen genauer Verwendung. Richtige Zuführung von Referenzspannungen Bild 6 zeigt eine einfach versorgte Schaltung. Ein In-Amp liefert das Eingangssignal für einen Analog/Digital-Wandler. Der Eingang für die Referenzspannung des Verstärkers kann herangezogen werden, um eine folgende Differenzstufe vorzuspannen. Die ADC-Referenz legt den Skalenfaktor fest. Ein simples RC-Tiefpassfilter (Antialiasingfilter) wird oft zwischen In-Amp und ADC geschaltet, um Außerbandstörungen zu reduzieren. Oft neigen Designer dazu, einfache Lösungen, wie Spannungsteiler an der Versorgung, anzuwenden, um die Referenzspannung für In-Amp und ADC zu erzeugen. Dies kann zu Fehlern bei einigen In- Amps führen. Diese Entscheindung ist besonders vorteilhaft, wenn sowohl In-Amps als auch Op Amps vorzuspannen sind. Die gesamte Betriebsspannungs-Unterdrückung (Power Supply Rejection, PSR) wird maximal, wenn es gelingt, den Verstärker von Störungen auf der Betriebsspannung zu isolieren. Dies ist wichtig, weil über die Betriebsspannung eingekoppelte Störungen zur Selbstoszillation mancher Schaltungen führen können. Moderne Op Amps und In- Amps haben selbst eine PSR, die hoch ist, aber nur bei geringen Frequenzen. Daher verzichten die meisten Ingenieure auf zusätzliche Maßnahmen. Viele moderne Op Amps und In-Amps erreichen eine PSR von 80 bis über 100 dB, reduzieren also den Effekt von Betriebsspannungsänderungen um den Faktor 10.000 bis über 100.000. Dennoch sollte man für hohe Frequenzen taugliche Bypass- Kondensatoren vorsehen, diese sind immer zu empfehlen und oft essentiell. Sie werden auch an einem Referenzspannungsteiler benötigt, denn ohne sie erfolgt dort keine Filterung, und das nominelle exzellente PSR des ICs selbst nützt gar nichts. hf-praxis 3/2017 47

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