Instrumentenverstärker INA121 hat zu hohe Verstärkung

[T. S. (d-platoon)]

Hallo zusammen,

ich sitze gerade vor einem kleinen Problem.
Ich habe angehängte Schaltung "entwickelt". Hier soll die Differnze 
zweier Drucksensoren verstärkt werden (um auf einen 0..10V SPS-Eingang 
gelegt zu werden). Den Verstärkungsfaktor habe ich mit etwa G=20 
angepeilt. Nun ist es jedoch leider so, dass der INA121PA, egal mit 
welchem Widerstand ich ihn zwischen Pin 1 und Pin 8 beschalte, immer 
eine sehr hohe Verstärkung hat, die bei etwa 800 liegt. In Zahlen: bei 
einer Änderung der Differenz um ca. 20mV (zwischen Pin 2(-) und 3(+)) 
ändert sich die Ausgangsspannung von 1,13V auf den "Endwert" von ca. 
17,3V. Die Eingangsspannungen an den + und - Eingängen liegen bei ca. 
1,6V.
Vcc= 18V, Gnd= 0V bzw. ich habe auch schon -18V versucht (wobei das GND 
der MPX dann auf 0V liegt). Im Schaltplan nicht zu sehen: Pin 5 (Ref) 
liegt auf 0V.
Hat jemand eine Idee, was ich falsch mache?

Viele Grüße,
Thomas

[Patrick L. (Firma: S-C-I DATA GbR) (pali64)]

T. S. schrieb:
> Hat jemand eine Idee, was ich falsch mache?

Schau dir ein Example im Datenblatt an.
dort steht wie man die Verstärkung hin kriegt.

[T. S. (d-platoon)]

Mit dieser Liste habe ich schon gearbeitet und habe zwischen offenen 
Pins 1 und 8 und Kurzschluss der beiden einiges ausprobiert. Es hat sich 
jedoch leider am Ausgang nichts geändert...

[Patrick L. (Firma: S-C-I DATA GbR) (pali64)]

T. S. schrieb:
> Mit dieser Liste habe ich schon gearbeitet und habe zwischen
> offenen
> Pins 1 und 8 und Kurzschluss der beiden einiges ausprobiert. Es hat sich
> jedoch leider am Ausgang nichts geändert...

Weil in deinem Schema der R-Load fehlt vielleicht?
Vorgegeben im Example ;-)

Rückkopplung offen (Pin(5) Ref)?

[Achim S. (Gast)]

ich tippe mal darauf, dass du den erlaubten Gleichtaktbereich verletzt. 
Dann kann alles mögliche am Ausgang rauskommen. Aber das lässt sich mit 
deinen bisherigen Angaben nicht wirklich überprüfen, weil du 
unterschiedliche Schaltungsaufbauten beschreibst, aber keinen davon 
vollständig.

Gib mal für eine bestimmte Konstellation die Spannungen an allen Pins an 
(also auch die Gleichtaktspannung am Eingang, nicht nur die 
Differenzspannung...)

[Achim S. (Gast)]

ok, ich sehe, dass man aus deinen Angaben doch eine vollständige 
Konstellation ablesen kann. Ich hab sie mal in das Tool von TI 
eingegeben, mit dem sich Gleichtaktbereich überprüfen lassen.

Also: mit VCC=18V, VSS=0V, Aref=0, Gain=20 müsste die Gleichtaktspannung 
am Eingang oberhalb von 2,11V liegen, damit der Verstärker linear 
arbeitet. Bei dir sind es 1,6V, du treibst interne Verstärkerstufen in 
die Sättigung, das Ergebnis am Ausgang ist einigermaßen zufällig. (bei 
einer funktionierenden Lösung müsste die grüne Kurve der 
Ausgangsspannung innerhalb des umgrenzten Bereichs liegen...)

Mit einer symmetrischen Versorgung und Eingängen sowie Aref nahe bei 0V 
solltest du einfacher klar kommen - der INA121 ist für single supply 
nicht so prickelnd.

[W.A. (Gast)]

Achim S. schrieb:
> Ich hab sie mal in das Tool von TI eingegeben

Hat das Tool auch einen Namen oder gibt es dazu gar einen Link?

[Achim S. (Gast)]

W.A. schrieb:
> Hat das Tool auch einen Namen oder gibt es dazu gar einen Link?

Das Tool ist ein LabVIEW-Programm, als Namen kenne ich (wie in der 
Grafik oben zu sehen) "Instrumentation Amplifier Output Voltage vs. 
Common Mode Voltage" oder eine Kurzform davon.

Einen aktuellen Link habe ich leider nicht. Wenn ich jetzt bei TI danach 
suche lande ich bei folgendem Artikel: 
https://www.ti.com/lit/an/slyt647/slyt647.pdf?ts=1633334419116&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
Dort wird das Tool zwar beschrieben, aber der angebene Download-Link 
führt inzwischen zu "Error 404  not found". Vielleicht bietet TI heute 
ein aktualisiertes Tool an einer anderen Stelle an. Die von mir benutzte 
Version nutzt als LabVIEW-VI auch nur etwas, wenn man eine LabVIEW 
Installation auf dem Rechner hat.

Von Analog-Devices gibt es Vergleichbares als Online Tool unter der 
Bezeichnung "diamond Plot" 
(https://tools.analog.com/en/diamond/#difL=-0.1&difR=0.1&difSl=-0.1&gain=100&l=-8&pr=AD8422&r=8&sl=-8&tab=1&ty=1&vn=-15&vp=15&vr=0), 
dort werden aber natürlich nur die AD-Chips unterstützt, nicht der 
INA121.

Im Anhang mal die Signale des TO, wenn eine symmetrische Versorgung von 
VCC=5V und VSS=-5V gewählt würde. Dann ergibt sich eine Begrenzung, die 
der im Datenblatt auf S. 4 rechts unten ähnlich ist. Damit könnte das 
Signal des TO problemlos vestärkt werden.

[Patrick L. (Firma: S-C-I DATA GbR) (pali64)]

Im Datenblatt, welches der TO dankender weise sogar selber angeheftet 
hat (Dafür ein Lob) steht eigentlich ja alles.

Doch eine Antwort auf:
was ist mit Pin 5 ?
fehlt dann nützt die ganze Simulation nix.

REF ist ein Referenz Pin und wenn das Floatend ist, dann steht in der 
Appnote was passiert.

Achim S. schrieb:
> Einen aktuellen Link habe ich leider nicht. Wenn ich jetzt bei TI danach
> suche lande ich bei folgendem Artikel:

Das Tool heißt inzwischen anders weil mehr Funktionen.

Eine Auswahl der TI Tools findet man unter:
https://training.ti.com/ti-precision-labs-overview

das führt dann zu den jeweiligen Links.

Und ja der INA121 ist eigentlich schon für Dualsupply optimaler, aber 
die Schaltung müsste eigentlich bei Korrektem aufbau gehen.

Aber das steht ja alles im Datasheet.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Achim S. schrieb:
> ich tippe mal darauf, dass du den erlaubten Gleichtaktbereich verletzt.
Ich tippe, du hast Recht. Denn die Eingangsspannung muss mindestens 2,5V 
positiver sein als die negative Versorgung.
Und die "negative Versorgung" ist hier 0V. Damit muss an jedem der 
beiden Eingänge zu jeder Zeit über 2,5V anliegen.

[Patrick L. (Firma: S-C-I DATA GbR) (pali64)]

Ach ja, Fals keine -5V verfügbar,
verwende eine Spannungsinverter IC um die -5V zu machen dann passt alles 
viel besser.

Lothar M. schrieb:
> Und die "negative Versorgung" ist hier 0V. Damit muss an jedem der
> beiden Eingänge zu jeder Zeit über 2,5V anliegen.

Auch richtig, aber der TO hat dazu noch keine Angaben gemacht.

Also der Übliche Salami Rätselraten Thread, mit Unbeantworteten Fragen 
usw.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Patrick L. schrieb:
> Ach ja, Fals keine -5V verfügbar, verwende eine Spannungsinverter IC um
> die -5V zu machen dann passt alles viel besser.
Man könnte diese Aufgabe also lösen, indem man den "GND-Pegel" für die 
MPX4250 mit einer (gemeinsamen) Z-Diode etwas "anhebt". Dann muss aber 
evtl. auch die Versorgung für die MPX höher als 5V sein.

[Achim S. (Gast)]

Patrick L. schrieb:
> REF ist ein Referenz Pin und wenn das Floatend ist, dann steht in der
> Appnote was passiert

ist es nicht: im Text des TO findet man:

T. S. schrieb:
> Im Schaltplan nicht zu sehen: Pin 5 (Ref)
> liegt auf 0V.

Patrick L. schrieb:
> Eine Auswahl der TI Tools findet man unter:
> https://training.ti.com/ti-precision-labs-overview

dort hab ich auf die Schnelle jetzt kein Tool für die Erstellung der 
"Diamond Plots" gesehen. Vielleicht wenn ich es mal in Ruhe 
durchschaue...

Patrick L. schrieb:
> Aber das steht ja alles im Datasheet.

Na ja: grade die Diamond-Plots in allen Ecken richtig zu bestimmen, ist 
allein mit dem Datenblatt oft nicht trivial. Weil man nur Plots mit 
ähnlichen Bedingungen findet, aber nicht mit identischen. Und weil man 
dazu wissen müsste, wie weit sich interne Knoten der Schaltung an die 
Rails annähern dürfen, was oft nicht aus dem Datenblatt hervorgeht (die 
behandeln meist nur die Bereich der extern verfügbaren Signale). Deshalb 
sind die Softwaretools der Hersteller schon ganz praktisch.

Im Vorliegenden Fall hätte man es allerdings tatsächlich aus dem 
Datenblatt ablesen können. Wie Lothar schrieb, reicht schon der Abstand 
der Eingänge zur negativen Rail nicht.

Zitat aus dem Datenblatt S. 9:
"The  linear  input  voltage  range  of  the  input  circuitry  of  the
INA121  is  from  approximately  1.2V  below  the  positive
supply voltage to 2.1V above the negative supply."

Patrick L. schrieb:
> Auch richtig, aber der TO hat dazu noch keine Angaben gemacht.

Dachte ich zuerst auch. Dann habe ich im Eröffnungsthread nochmal 
genauer gelesen:

T. S. schrieb:
> Die Eingangsspannungen an den + und - Eingängen liegen bei ca.
> 1,6V.

[T. S. (d-platoon)]

Guten Morgen zusammen,

vielen Dank für eure zahlreichen Antworten.
Ich habe tatsächlich an den beiden Eingängen nur ca. 1,6V und Vss= 0V.
Ich hatte beim Testen zwar auch mal mit einer negativen Vss von -18V 
gespielt, aber konnte kein anderes Verhalten feststellen.

Pin5 fehlt in meinem Schaltplan, habe ich aber wie im Eingangspost (ich 
gestehe zwischen den Zeilen) geschrieben, auf GND (also 0V) gelegt.

Jetzt weiß ich aber, dass es an der Versorgungsspannung liegen muss und 
werde heute Abend zu Hause da nochmals genauer auf die Fehlersuche gehen 
und den Schaltplan überarbeiten.
Die Idee mit dem Anheben der Versorgungsspannung der MPX ist gut. Ich 
habe zwar am "Labortisch" die Möglichkeit mit mehreren Spannungen zu 
arbeiten, an der fertigen Schaltung stehen nachher aber nur 12 bzw. 24V 
zur Verfügung und das Analogsignal von 0..10V ist auf den gleichen GND 
bezogen wie die Versorgungsspannung.

Btw:
Habt ihr einen Tipp, welcher (Instrumenten-)Verstärker besser für mein 
Anliegen geeignet wäre?

Viele Grüße,
Thomas

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

T. S. schrieb:
> Habt ihr einen Tipp, welcher (Instrumenten-)Verstärker besser für mein
> Anliegen geeignet wäre?
Nimm einfach einen LM358, der kann bis runter ans negative Rail und er 
kann mit 24V versorgt werden.
Und dann brauchst du nur einen Subtrahierer:
Operationsverstärker-Grundschaltungen

> Ich habe zwar am "Labortisch" die Möglichkeit mit mehreren Spannungen zu
> arbeiten
Du musst dir aber bewusst sein, dass ein übliches Labornetzteil nur im 
1. Quadranten arbeitet. Es kann also keinen Strom "aufnehmen" und du 
musst deshalb diese Offsetspannung mit einem passenden Widerstand 
belasten.

[Achim S. (Gast)]

T. S. schrieb:
> Habt ihr einen Tipp, welcher (Instrumenten-)Verstärker besser für mein
> Anliegen geeignet wäre?

z.B. der INA122 wird als single supply instrumentation amplifier 
vermarktet, der würde dir zumindest bezüglich common mode Bereich keine 
Probleme machen.

[Patrick L. (Firma: S-C-I DATA GbR) (pali64)]

Achim S. schrieb:
> Dachte ich zuerst auch. Dann habe ich im Eröffnungsthread nochmal
> genauer gelesen:

Tatsache, ich entschuldige mich und behaubte das gegenteil.
Ja da ich mich auf das Schema konsentrierte (Was man als Elektroniker ja 
eigentlich tut) ist das im Text einfach runtergefallen.

T. S. schrieb:
> Btw:
> Habt ihr einen Tipp, welcher (Instrumenten-)Verstärker besser für mein
> Anliegen geeignet wäre?

Ideal ein R2R OpAmp. oder wenn dein µC einen Programmierbaren Gain am AD 
Eingang hat, den verwenden.
Als Beispiel den AD8495 der kommt gut mit 5V Single-Supply klar.
oder ja:

Achim S. schrieb:
> z.B. der INA122 wird als single supply instrumentation amplifier
geht auch.

[T. S. (d-platoon)]

Lothar M. schrieb:
>> Ich habe zwar am "Labortisch" die Möglichkeit mit mehreren Spannungen zu
>> arbeiten
> Du musst dir aber bewusst sein, dass ein übliches Labornetzteil nur im
> 1. Quadranten arbeitet. Es kann also keinen Strom "aufnehmen" und du
> musst deshalb diese Offsetspannung mit einem passenden Widerstand
> belasten.
Dass das Labornetzteil nur im 1. Quadranten arbeitet ist klar.
Aber warum sollte es einen Strom aufnehmen müssen? Im Endeffekt handelt 
es sich ja um die Reihenschaltung von zwei Spannungsquellen wobei ich 
den "mittleren Abgriff" als GND verwende. Oder stehe ich damit jetzt 
irgendwie auf dem Schlauch?

Lothar M. schrieb:
> Nimm einfach einen LM358, der kann bis runter ans negative Rail und er
> kann mit 24V versorgt werden.
> Und dann brauchst du nur einen Subtrahierer:
> Operationsverstärker-Grundschaltungen
Hatte ich ursprünglich überlegt, bin dann aber bei meiner "Recherche" 
drauf gestoßen, dass sich das mit einem Instrumentenverstärker-IC 
schneller, präziser und mit weniger Schaltungsaufwand realisieren lassen 
sollte.

Achim S. schrieb:
> z.B. der INA122 wird als single supply instrumentation amplifier
> vermarktet, der würde dir zumindest bezüglich common mode Bereich keine
> Probleme machen.
Okay, der wäre gar nicht weit weg gewesen. Ich schau mir nachher mal das 
Datenblatt genauer an.

Patrick L. schrieb:
> Ideal ein R2R OpAmp. oder wenn dein µC einen Programmierbaren Gain am AD
> Eingang hat, den verwenden.
> Als Beispiel den AD8495 der kommt gut mit 5V Single-Supply klar.
Hab keinen µC dran, sondern eine SPS.
Was ist ein R2R?

[Patrick L. (Firma: S-C-I DATA GbR) (pali64)]

T. S. schrieb:
> Was ist ein R2R?

Sorry Rail to Rail OpAmp kurz R2R genannt, bedeutet.
Das die Spannungen von V- ~ V+ gehen können. +/- ein paar mV weniger als 
die Versorgungsspannung.

Sorry war mal wieder zu selbstverständlich drum habe ich es jetzt 
nachgeholt.

[Wolfgang (Gast)]

Patrick L. schrieb:
> +/- ein paar mV weniger als die Versorgungsspannung.

... und die paar mV hängen meist vom fließenden Strom ab.

[T. S. (d-platoon)]

Hallo zusammen,

ich wollte mich nochmal melden und den Thread nicht einfach ergebnislos
enden lassen.

Ich hab mit dem INA121 nochmal etwas rumprobiert, bin aber nicht
wirklich zu einem brauchbaren Ergebnis gekommen. Hab mir dann einen
INA122 besorgt und damit hats dann direkt geklappt.
Vielen Dank nochmal für eure Unterstützung!

[Udo S. (urschmitt)]

Lothar M. schrieb:
> Nimm einfach einen LM358, der kann bis runter ans negative Rail und er
> kann mit 24V versorgt werden.
> Und dann brauchst du nur einen Subtrahierer:

Das dürfte deutlich mehr Offsetfehler als mit dem Instrumentenverstärker 
geben.
Der Subtrahierer hat auch einen relativ niedrigen Eingangswiderstand. Ob 
das ein Problem ist müsste man sehen.
Auch der Common Mode Fehler sollte (war jetzt zu faul zum 
nachsehen/rechnen) beim Instrumentenverstärker besser sein als bei einem 
Subtrahierer.

Insofern ist der Tipp nur eingeschränkt richtig.

[Achim S. (Gast)]

T. S. schrieb:
> Hab mir dann einen
> INA122 besorgt und damit hats dann direkt geklappt.

prima

Udo S. schrieb:
> Auch der Common Mode Fehler sollte (war jetzt zu faul zum
> nachsehen/rechnen) beim Instrumentenverstärker besser sein als bei einem
> Subtrahierer.

Die Gleichtaktunterdrückung hängt beim Subtrahierer primär davon ab, wie 
gut die Widerstandswerte zueinander passen(zumindest bei niedrigen 
Frequenzen). Wenn man einfach Widerstände aus dem Sortiment nimmt und 
einlötet, dürfte der Instrumentenverstärker da in den allermeisten 
Fällen tatsächlich besser sein als der Subtrahierverstärker.

Eine andere Frage ist, ob man sich innerhalb des erlaubten 
Gleichtaktbereichs befindet. Der zuerst verwendete INA121 verstärkt in 
der Eingangsstufe die Einzelspannungen relativ zur Gleichtaktspannung. 
Wenn diese verstärkte Spannung an der Versorgung anschlägt, hat man 
keine lineare Verstärkung mehr.

Der Subtrahierverstärker hätte dieses Problem nicht, weil der 
OPV-Eingang die Spannungen am Verstärkereingang nur heruntergeteilt 
sieht (und keine Verstärkung relativ zur Gleichtaktspannung durchführt). 
Deshalb wäre ein LM358 als Subtrahierer noch mit der 
Spannungskombination klargekommen, die den IN121 überfordert.

Der INA122 hat eine andere interne Verstärkerstruktur als der 
"klassisch" aufgebaute INA121 und funktioniert deswegen mit den 
vorliegenden Spannungen ebenfalls.