Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Eingang am Instrumentenverstärker anheben (common mode input)


von Peder (st_peter)


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Hi,

ich versuche gerade, OPs (vor allem differentielle) und 
Intrumentenverstärker besser zu verstehen und habe die angehängte 
Schaltung mit dem INA333 aufgebaut - die allerdings so nicht 
funktioniert. Zunächst ohne, dass ich mir erklären konnte, warum:
- die Eingangspegel befinden sich innerhalb der common-mode voltage 
range
- der Ausgang ist referenziert auf mid-supply
Die Verstärkung beträgt G=101, und ja, der Ausgang kommt gefährlich nach 
die Rails, aber das ist nicht das eigentliche Problem.

Ich habe etwas herumgerechnet und festgestellt, dass innerhalb des 
Instrumentenverstärkers "-938mV" auftreten. Und hier liegt das Problem, 
weil das eine Single-Supply-Schaltung ist. Für AC-Signale kann ich wohl 
auch für den Eingang eine Spannung definieren, um die mein Signal sich 
bewegt (siehe Anhang). Aber für DC-Signale - wie das in meiner Schaltung 
- dürfte das nicht funktionieren.

Gibt es einen eleganten und nach Möglichkeit unkomplizierten Weg, die 
24mV, die über den 1kR-Widerstand abfallen um einen bestimmten Pegel 
anzuheben?


Vielen Dank!

von Daniel F. (foxi_the_daywalker)


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Hi,

negative Spannungen würden mich bei einer Versorgung mit 0V und 5V 
wundern.

Falls es nicht funktioniert, hast du vielleicht einfach V- und V+ 
vertauscht und deshalb ist das Ergebnis anders als erwartet?

Welche Spannung misst du denn am Ausgang?

Hast du V_ref testweise auf 0V gelegt und dann den Ausgang gemessen?

Grüße
Daniel

von Peder (st_peter)


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Hi Daniel,

meine Formulierung war nicht ganz korrekt. Die -938mV treten nur 
theoretisch auf - und wie gesagt innerhalb des Chips. Die Rechnung ist 
etwas zu unübersichtlich, um sie hier in Schriftform zu wiederholen, 
aber ich hab sie mit Hilfestellungen aus InAmp-Analysen auf YT gemacht. 
Dort wurde auf das gleiche Problem eingegangen.

Ja... -938mV. Weil das aber natürlich nicht sein kann, geht der da unten 
stattdessen gegen 0V - oder seiner negativen Rail. Und damit kommt nur 
noch unvorhersehbares Zeug raus. Ich müsste noch mal messen, aber auf 
jeden Fall hat die Verstärkung nichts mit G=101 zu tun.

Was +IN und -IN betrifft, bin ich mir sicher.

von H. H. (hhinz)


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Du bist nicht der erste, und wirst auch nicht der letzte sein. Der 
erlaubte Eingangsspannungsbereich (CM) hängt bei solchen Verstärkern von 
der Verstärkung ab. In deinem Fall (V=101) musst du etwa 1,3V von den 
Rails weg bleiben.

von Udo K. (udok)


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Peder schrieb:
> Gibt es einen eleganten und nach Möglichkeit unkomplizierten Weg, die
> 24mV, die über den 1kR-Widerstand abfallen um einen bestimmten Pegel
> anzuheben?

Es gibt spezielle Chips für Strommessungen wie etwa der INA199.
Im Prinzip verwendet der einen Differenzverstärker ohne die beiden 
ersten OPV in deinem Bild.  Deine Überlegungen sind richtig.  Der 
externe INA Widerstand zum Einstellen der Verstärkung sieht genau die 
Eingangsspannung.  Der Strom durch den Gain-Widerstand ist daher 
Vin/RGain.  Dieser Strom muss auch durch die internen Widerstände des 
INA fliessen (etwa Rx=50k).  Damit kannst du ganz einfach die internen 
Spannungen abschätzen.  Die untere Spannung ist V_Unten - Vin/RGain * Rx 
und die obere interne Spannung ist V_Oben + Vin/RGain * Rx.

von Peder (st_peter)


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Udo K. schrieb:
> Es gibt spezielle Chips für Strommessungen wie etwa der INA199.
> Im Prinzip verwendet der einen Differenzverstärker ohne die beiden
> ersten OPV in deinem Bild.

Ich möchte am Ende tatsächlich einen INA229 benutzen, ein 20-Bit 
Strom-Mess-Sensor. Allerdings ist mein Messsignal zu klein und würde den 
Messbereich des INA229 nie ausreizen. Deshalb möchte ich das Ganze 
vorverstärken, was sich aber irgendwie als schwierig gestaltet - quasi 
an jeder einzelnen Stelle des Gesamtkonzepts. Deshalb möchte ich noch 
mal von Grund auf anfangen, systematisch an die Sache ranzugehen.

Genauer gesagt wollte ich ursprünglich einen THP210 benutzen, um das 
Signal für den INA229 vorzuverstärken. Der THP210 ist ein 
"Vollsymmetrischer Operationsverstärker" (Übersetzung nach Wiki), der es 
ermöglicht, für den Input die Common-Mode-Spannung zu definieren. Aber 
mit dem hab ich auch nur Mist produziert.

Aber verstehe ich das dann richtig, dass es nicht die beste Idee ist, 
ein DC-Signal shiften zu wollen? Ist es dann besser, sich mit kleinen 
mehrstufigen Gains innerhalb der Common-Mode-Grenzen zu bewegen?

von Udo K. (udok)


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Nein, der INA199 hat das Problem nicht. Das ist ein Differenzverstärker 
mit vier Widerständen und kein Instrumentenverstärker.

Der Ina229 hat einen 40 mV Messbereich, und müsste doch recht gut 
passen?

: Bearbeitet durch User
von Hippelhaxe (hippelhaxe)


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Peder schrieb:

> - die Eingangspegel befinden sich innerhalb der
>   common-mode voltage range
> - der Ausgang ist referenziert auf mid-supply

Soweit okay.


> Die Verstärkung beträgt G=101,

Jaaaa... das geht natürlich nicht.

Die erste Stufe des Instrumentationsverstärkers verstärkt
symmetrisch um die tatsächliche Gleichtakt-Eingangsspannung
herum:

Gleichtakteingangsspannung: 250mV
Differensignal: +-12mV
Verstärkung: 100

Unterer Zweig:
250mV - 100 * 12mV = 250mV - 1200mV = -950mV.

Geht also nicht bei single supply.


> Gibt es einen eleganten und nach Möglichkeit
> unkomplizierten Weg,

Aber ja -- sogar zwei:

1. Reduziere die Verstärkung.
2. Versorge den InAmp symmetrisch.


Ach so... dritter Weg: Anderen InAmp wählen; es gibt
welche, bei denen man die Verstärkung von erster und
zweiter Stufe getrennt einstellen kann.
Dann kannst Du z.B. Differenzverstärkung=10 und
Nachverstärkung=10 wählen und bist das Problem los.

von Peder (st_peter)


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Udo K. schrieb:
> Nein, der INA199 hat das Problem nicht. Das ist ein Differenzverstärker
> mit vier Widerständen und kein Instrumentenverstärker.
>
> Der Ina229 hat einen 40 mV Messbereich, und müsste doch recht gut
> passen?

Ich hab jetzt leider schon ein paar THP210 hier, deshalb würde ich 
weiter versuchen, die zum Laufen zu bringen. Aber theoretisch sollten 
sich die Beiden ja nicht viel nehmen.

Hippelhaxe schrieb:
>> Die Verstärkung beträgt G=101,
>
> Jaaaa... das geht natürlich nicht.
>
>> Gibt es einen eleganten und nach Möglichkeit
>> unkomplizierten Weg,
>
> Aber ja -- sogar zwei:
>
> 1. Reduziere die Verstärkung.
> 2. Versorge den InAmp symmetrisch.

Das hab ich befürchtet.
Aber okay, mit einer Verstärkung von 11 statt 101 funktioniert das (im 
Rahmen der Messgenauigkeit) tatsächlich wie auf dem Papier.
Wie ich jetzt genau weitermache, muss ich mir noch überlegen, aber ich 
bin zumindest froh, dass ich das Ding jetzt endlich mal verstanden habe.

von Jobst M. (jobstens-de)


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Teile Deinen Gainwiderstand (2×500Ω) und lege die Mitte auf eine 
Spannung knapp unter 238mV.

Gruß
Jobst

von Chantalle (chantalle2000)


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Jobst M. schrieb:
> Teile Deinen Gainwiderstand (2×500Ω) und lege die Mitte auf eine
> Spannung knapp unter 238mV.
>
> Gruß
> Jobst

Dann verliert man natürlich den Vorteil der guten 
Gleichtaktunterdrückung wenn die Widerstände nicht jeweils exkat gleich 
sind, bzw. die verstärkung muss jeweils exkat gleich sein.

Ob das zum Ziel führt, ich denke nicht

von H. H. (hhinz)


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Chantalle schrieb:
> Dann verliert man natürlich den Vorteil der guten
> Gleichtaktunterdrückung

Ob der TE die wirklich braucht?

von Chantalle (chantalle2000)


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H. H. schrieb:
> Chantalle schrieb:
>> Dann verliert man natürlich den Vorteil der guten
>> Gleichtaktunterdrückung
>
> Ob der TE die wirklich braucht?

der TE schreibt'
"ich versuche gerade, OPs (vor allem differentielle) und
Intrumentenverstärker besser zu verstehen und habe die angehängte
Schaltung mit dem INA333 aufgebaut - die allerdings so nicht
funktioniert."

das mit dem "verstehen" wird nix wenn man eine falsche Lösung verfolgt, 
er versucht Instrumentenverstärker zu verstehen der Eigenschaft es nun 
mal ist, das sie eine Gleichtaktunterdrückung aufweisen.
Die Lösung mit den 2 x 500 und den Mittelpunkt auf Masse, machen aus dem 
Instrumentenverstärker zwei nichtinvertierende verstärker gefolgt von 
einem "Subtraierer" (Anführungszeichen deshalb weil das oft so betont 
wird hier, das dies kein echter Differenzverstärker ist, wobei Differenz 
und subtraieren, was solls ) bzw. Differenzverstärker

Ob der TE den Zusammenhang wirklich verstehen muss, klar hier sind viele 
die  ...

von Kevin (messguru32)


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Chantalle schrieb:
> Ob der TE den Zusammenhang wirklich verstehen muss, klar hier sind viele
> die  ...

Hier sind in der Tat viele, die die Fragestellung des TE so 
zurechtbiegen damit sie ihre Antwort als korrekt darstellen können.

Das braucht der TE eh nicht, woher weiß man das, nee, weiß man nicht


Andersherum, wenn man zu eine Frage die unvollständig ist selber mal 
schreibt, unter der Annahme das ... gilt ...
Dann wird direkt dagegen gehalten, woher willst du das wissen, neine 
weiß ich nicht, deswegen habe ich ja die Annahme deutlich gemacht.

Was lernt man daraus, lege dich nicht mit den alten Hasen aus dem Forum 
an, die wissen alles besser, da hast du keine Chance und erst recht 
nicht mit Fakten

von Jobst M. (jobstens-de)


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Chantalle schrieb:
> Dann verliert man natürlich den Vorteil der guten
> Gleichtaktunterdrückung

Ja, natürlich. Das ist ja auch ein Kompromiss, der da durch seine 
Bedingungen erforderlich wird.


Chantalle schrieb:
> Ob das zum Ziel führt, ich denke nicht

Du kennst das Ziel?


Gruß
Jobst

von Udo K. (udok)


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H. H. schrieb:
>> Dann verliert man natürlich den Vorteil der guten
>> Gleichtaktunterdrückung
>
> Ob der TE die wirklich braucht?

So wie es der TE gezeichnet hat, braucht er die Gleichtaktunterdrückung 
nicht, da das Gleichtaktsignal proportional zum Strom ist, und 
rauskalibriert wird (ist praktisch ein Verstärkungsfehler).

: Bearbeitet durch User
von Chantalle (chantalle2000)


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Udo K. schrieb:
> H. H. schrieb:
>>> Dann verliert man natürlich den Vorteil der guten
>>> Gleichtaktunterdrückung
>>
>> Ob der TE die wirklich braucht?
>
> So wie es der TE gezeichnet hat, braucht er die Gleichtaktunterdrückung
> nicht, da das Gleichtaktsignal proportional zum Strom ist, und
> rauskalibriert wird (ist praktisch ein Verstärkungsfehler).

So wie das gezeichnet ist, braucht man keinen Instrumentenverstärker, da 
kann man den Widerstand auch gegen masse abschließen, es ist auch kein 
unbekannter Verbraucher zu sehen. Also das war kein  Argument
Aber es war ja, das er verstehen wollte wie es funktioniert

von Chantalle (chantalle2000)


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Jobst M. schrieb:

> Chantalle schrieb:
>> Ob das zum Ziel führt, ich denke nicht
>
> Du kennst das Ziel?
>
>
> Gruß
> Jobst
Wer lesen kann, ja der kennt das Ziel

Er will verstehen wie Instrumentenverstärker funktionieten, wenn man 
dann was anderes draus macht und das andere versteht führt das nicht zum 
Ziel das eigentliche Problem zu verstehen

Wer aber partout immer recht haben will wird das natürlich nicht gelten 
kassen

Wie messguru32 aber geschrieben hat, widersprechen sinnlos und für 
Fakten ist hier eh kein Platz

von Jobst M. (jobstens-de)


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Chantalle schrieb:
> Wer lesen kann, ja der kennt das Ziel

Peder schrieb:
> Ich möchte am Ende tatsächlich einen INA229 benutzen

Chantalle schrieb:
> Er will verstehen wie Instrumentenverstärker funktionieten

Na, dass es so, wie von ihm gedacht nicht funktioniert, sollte bei ihm 
inzwischen angekommen sein.

Aber ich sehe das Ziel noch immer nicht.

Chantalle schrieb:
> Wer aber partout immer recht haben will wird das natürlich nicht gelten
> kassen

Dann mach doch einfach mal einen besseren Vorschlag, anstatt auf den 
schlechten, aber immerhin vorhandenen herumzustänkern.

Chantalle schrieb:
> So wie das gezeichnet ist, braucht man keinen Instrumentenverstärker

So wie das gezeichnet ist, benötigt man nicht einmal eine Messung!
Das Ergebnis sind immer 24mV.

Also: Was ist das eigentliche Ziel?

Gruß
Jobst

von H. H. (hhinz)


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Chantalle schrieb:
> Wie messguru32 aber geschrieben hat, widersprechen sinnlos und für
> Fakten ist hier eh kein Platz

Paranoide hat es hier eh schon einige, jetzt zwei mehr. Oder aber es 
sind alte Bekannte unter neuem Namen.

von Re (r42)


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Chantalle schrieb:
> Er will verstehen wie Instrumentenverstärker funktionieten, wenn man
> dann was anderes draus macht und das andere versteht führt das nicht zum
> Ziel das eigentliche Problem zu verstehen

Chantalle schrieb:
> das mit dem "verstehen" wird nix wenn man eine falsche Lösung verfolgt,

IBTD.

Gerade dann, wenn man über den Tellerrand hinausblickt auch und die 
Eigenschaften "falscher Lösungen" versteht, kriegt man den Überblick um 
zu bewerten, wann ein InAmp zur Lösung bestimmter Probleme beiträgt und 
wann eher weniger.

Der InAmp im Eröffnungspost immerhin nur als zweites genannt.


Peder schrieb:
> ich versuche gerade, OPs (vor allem differentielle) und
> Intrumentenverstärker besser zu verstehen

Ich meine deshalb, dass auch "falsche Lösungen" zum gewollten breiten 
Verständnis sehr wohl beitragen können.


(re)

von Peder (st_peter)


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Leute seid lieb zueinander. ;)

Ich habe tatsächlich ein übergeordnetes Ziel, was ich in einem anderes 
Thema (Beitrag "OPV - Verstärkung kleiner Spannungen nicht wie berechnet") schon mal erwähnt 
hab. Ich möchte letztendlich sehr kleine Ströme messen, bin aber immer 
wieder auf neue Probleme gestoßen. Also hab ich mein Konzept erstmal 
beiseite gelegt, jeden einzelnen Schritt davon separat aufgebaut und 
geschaut, wo eigentlich die Probleme liegen.

In diesem Thema habe ich eigentlich nur nach einer Lösung dafür gesucht, 
dass ich entgegen meiner Intuition nicht einfach kleine Spannungen 
100-fach verstärken kann.

von Chantalle (chantalle2000)


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Re schrieb:
> Ich meine deshalb, dass auch "falsche Lösungen" zum gewollten breiten
> Verständnis sehr wohl beitragen können.

Und deswegen war der Hinweis das so die Gleichtaktunterdrückung nicht 
mehrbgegeben ist falsch?

Und deswegen bin ich paranoid?

Armselig

von Jobst M. (jobstens-de)


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Chantalle schrieb:
> Und deswegen war der Hinweis das so die Gleichtaktunterdrückung nicht
> mehrbgegeben ist falsch?

Nein, das hat auch nie jemand behauptet.

Gruß
Jobst

von Jobst M. (jobstens-de)


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Peder schrieb:
> Ich möchte letztendlich sehr kleine Ströme messen

https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker

Gruß
Jobst

von Udo K. (udok)


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Peder schrieb:
> In diesem Thema habe ich eigentlich nur nach einer Lösung dafür gesucht,
> dass ich entgegen meiner Intuition nicht einfach kleine Spannungen
> 100-fach verstärken kann.

Kleine Spannungen können einfach verstärkt werden, nur auf die Intuition 
von einem E-Technik Laien würde ich mich da nicht verlassen :-). Ohne 
deine Anwendung im Detail zu kennen kann man nur allgemeine Ratschläge 
geben. Bei so kleinen Strömen hängt vieles von der konkreten Anwendung 
ab.
Jedenfalls kostet deine Salamitaktik einen Haufen Zeit und Mühe, und 
führt uns in die Irre.  Unterm Strich bringt das keine Lösung deines 
Problems.  Warum überhaut ein neuer Thread dafür?
Also ein allgemeiner Rat: Kauf dir ein ordentliches 7.5 Digit 
Multimeter, das Ding kann so kleine Spannungen problemlos messen, und 
hat eine PC Schnittstelle zum Auslesen der Daten.

: Bearbeitet durch User
von Re (r42)


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Peder schrieb:
> In diesem Thema habe ich eigentlich nur nach einer Lösung dafür gesucht,
> dass ich entgegen meiner Intuition nicht einfach kleine Spannungen
> 100-fach verstärken kann.

Doch, das kannst Du schon, aber der Weg dahin will erarbeitet werden, 
wie Du ja schon selbst bemerkt hast.

Der Kardinalfehler diesmal war, ohne Not Single-Supply haben zu wollen. 
Das erfordert immer irgendwo die Berücksichtigung von deutlich mehr 
technischen Randbedingungen, als bei Dual-Supply. Letzteres ist für den 
Anfang deutlich einfacher zu handhaben.


Peder schrieb:
> [...] und geschaut, wo eigentlich die Probleme liegen.

Ist schon etwas angestaubt, aber immer noch wahr und vielleicht hilft es 
ja:

https://archive.org/details/the-art-of-electronics-3rd-ed-2015_202008/page/347/mode/2up


(re)

: Bearbeitet durch User
von Peder (st_peter)


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Udo K. schrieb:
> Jedenfalls kostet deine Salamitaktik einen Haufen Zeit und Mühe, und
> führt uns in die Irre.  Unterm Strich bringt das keine Lösung deines
> Problems.  Warum überhaut ein neuer Thread dafür?
Weil es je nach Forum und je nach Person nicht gern gesehen wird, wenn 
sich neue Fragen auftun und die dann das eigentliche Thema in etwas 
total Chaotisches, Unorganisiertes abdriften lassen. Zudem ist schnell 
mal die Geduld der Leute überreizt, wenn sich neue Fragen auftun - und 
die Antwort, "studier einfach mal E-Technik, bevor du hier die Leute 
nervst", hilft dann auch niemandem wirklich weiter.

Ich hatte ja eigentlich eine relativ klare Frage gestellt. Ich dachte, 
die lässt sich ebenso einfach beantworten - gern auch mit "nein". Aber 
auch wenn es nicht so wirkt, habe ich allein aus diesem Thread hier 
schon wieder Einiges mitgenommen. Ich hab das halt nicht gelernt.

Re schrieb:
> Der Kardinalfehler diesmal war, ohne Not Single-Supply haben zu wollen.

Ja, da stimm ich dir zu. Ich fand es auf den ersten Blick leichter, sich 
nicht noch um eine weitere geglättete Spannungsquelle kümmern zu müssen, 
die dann auch noch extra verlegt werden möchte. Aber so langsam wird der 
Mehraufwand dafür tatsächlich etwas unangenehm.

Ich nutze für wirklich saubere 3.3V und 5V supergern den LP3871. Und 
dafür hab ich bisher keinen gleichwertigen, negativen Gegenpart 
gefunden, so dass ich dann meist doch versuche, darauf zu verzichten.

> Ist schon etwas angestaubt, aber immer noch wahr und vielleicht hilft es
> ja:
>
> 
https://archive.org/details/the-art-of-electronics-3rd-ed-2015_202008/page/347/mode/2up
Der liegt sogar auf meinem Schreibtisch, in Papierform.

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