Analogtipp Hochgenauer Spannungs/Strom-Wandler mit zwei Instrumentenverstärkern

Spannungsgesteuerte Präzisions-Stromquellen werden speziell in Schaltungen mit variablen Lasten benötigt. Beliebte Lösungen, die mehrere Operationsverstärker und einige passive Bauteile enthalten, weisen aufgrund nicht idealer Bauteilecharakteristika einige Fehler auf. Dazu gehören eine endliche Verstärkung bei offener Schleife (AOL), Gleichtaktunterdrückung (CMR), Biasstrom (IB) und Offsetspannung (VOS).

Anbieter zum Thema

Bicker Elektronik GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Analog Devices

Bei Entwicklungen mit Operationsverstärkern können Präzisionswiderstände zum Einstellen der Verstärkung sowie zusätzliche Kondensatoren zur Stabilisierung erforderlich sein. Darüber hinaus liefern einige Schaltungen Ströme, die nicht direkt proportional zu VIN sind. Der Spannungs/Strom-Wandler in Bild 1 zum Beispiel arbeitet gemäß der Näherung Ic ≃ Ie und liefert Strom nur in eine Richtung.

Mit zwei Instrumentenverstärkern und zwei Transistoren (Bild 2) lässt sich eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit einer Genauigkeit von 0,01% entwickeln. Diese Stromquelle arbeitet mit einer Eingangsspannung von ±10 V, die direkt proportional zum Ausgangsstrom IOUT ist. Die Schaltung bietet auch bei Ausgangsströmen bis zu 90 mA eine gleich bleibend hohe Genauigkeit.

Die Instrumentenverstärker AD620 mit geringer Drift und niedrigem Stromverbrauch sind für die Steuerung der Schaltung sowie für die Fehlerkorrektur zuständig. Sie sind jedoch nicht Bestandteil des Ausgangsschaltkreises. Somit können Q1 und Q2 durch Transistoren mit höherer Leistung ersetzt werden, um höhere Ausgangsströme zu erzielen.

Die Instrumentenverstärker lassen sich für beliebige Verstärkungen zwischen 1 und 10.000 konfigurieren. Dies ermöglicht die Verarbeitung von Eingangssignalen unter 1 mV. Um die gewünschte Verstärkung zu erhalten, schaltet man einfach einen Widerstand über die Eingänge RG (Pins 1 und 8) von U1 und U2.

Der erste Instrumentenverstärker U1 steuert die Basisspannung der Push-Pull Ausgangsstufe. Die Widerstände und die Dioden spannen Q1 und Q2 vor, um Verzerrungen zu eliminieren. U2 wird für die Fehlerkorrektur verwendet und gleicht die Differenzen der VBE-Spannungen aus.

Die Fehlerspannung, welche differenziell von der Verbindung zwischen D1 und D2 zu VOUT gemessen wird, wird in den Referenz-Pin von U1 gespeist und zu VIN addiert. Das Resultat ist ein Ausgangsstrom, der direkt proportional zu VIN ist. Diese Schaltung erzielt über einen Eingangsbereich von ±10 V eine typische DC-Genauigkeit von 0,01%. Bei 1 kHz und einer Ausgangspannung von VOUT = ±5 Vss wird eine AC-Genauigkeit von typisch 1,5% erreicht. Die Schaltung kann durch entsprechendes Anpassen der Bauteile auch für den Betrieb mit nur einer Versorgungsspannung ausgelegt werden. Hierbei sind dann die bekannten Einschränkungen zu berücksichtigen.

Die Vorteile dieser Schaltung sind ein größerer Ausgangsbereich, die direkte Proportionalität von IOUT zu VIN und eine hohe Linearität und Genauigkeit wie in Bild 3 gezeigt.

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