Instrumentatie‑versterker Begrijpen en Ontwerpen

Wat is een instrumentatie‑versterker?

Een instrumentatie‑versterker geeft ingenieurs de mogelijkheid om de versterking van een circuit fijn af te stellen door slechts één weerstand te wijzigen, in tegenstelling tot een conventionele differentiële versterker die meerdere weerstandswijzigingen vereist. Opgebouwd op de fundering van de differentiële versterker, voegt het een enkele instelbare weerstand toe die deze gemak ontsluit.

Hoe het circuit werkt

Het ontwerp combineert een gebufferde differentiële trap met drie extra weerstanden die de twee buffer‑secties verbinden. Alle weerstanden zijn gelijk, behalve R_gain.

Negatieve feedback in de linkerbovenste op‑amp dwingt de spanning op punt 1 (de bovenkant van R_gain) om V_1 te matchen, terwijl de onderste op‑amp de spanning op punt 2 (de onderkant van R_gain) vastzet op V_2. Dit creëert een spanningsval over R_gain gelijk aan het verschil tussen V_1 en V_2. Omdat de invoerstrommen van de op‑amps verwaarloosbaar zijn, vloeit dezelfde stroom door de twee weerstanden naast R_gain, wat een spanningsval tussen punt 3 en 4 produceert gegeven door:

De standaard differentiële versterker aan de rechterkant versterkt deze val vervolgens met een factor één – mits de omringende weerstanden gelijk zijn.

Waarom een instrumentatie‑versterker gebruiken?

Hoewel het schema complex lijkt, biedt deze configuratie twee grote voordelen:

• Extreem hoge ingangsimpedantie bij V_1 en V_2, omdat elk direct verbonden is met de niet‑inverterende invoer van zijn op‑amp.
• Eenvoudige, enkele‑weerstand versterkingsinstelling via R_gain.

Herleiden van de algebra levert de algehele spanningstersterkte‑uitdrukking:

In de praktijk is het wijzigen van slechts R_gain voldoende om de differentiële versterking aan te passen. Hoewel het aanpassen van andere weerstanden de versterking ook kan veranderen, zou dat perfect gebalanceerde wijzigingen vereisen om het circuit symmetrisch te houden. Let op dat R_gain op oneindig instellen (open circuit) de minimale versterking van 1 oplevert.

Kernpunt

• Een instrumentatie‑versterker levert hoge ingangsimpedantie en moeiteloze versterkingscontrole via één weerstand, wat het ideaal maakt voor precisiemeetschakelingen.

Verder lezen

• Optel‑ en Aftrek‑schakelingen OpAmp Werkblad