Eingang am Instrumentenverstärker anheben (common mode input)

[Peder (st_peter)]

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!

[Daniel F. (foxi_the_daywalker)]

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

[Peder (st_peter)]

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.

[H. H. (hhinz)]

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.

[Udo K. (udok)]

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.

[Peder (st_peter)]

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?

[Udo K. (udok)]

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?

[Hippelhaxe (hippelhaxe)]

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.

[Peder (st_peter)]

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.