Analogtipp Widerstandsanpassung für Differenzverstärker

Der klassische, mit vier Widerständen beschaltete Differenzverstärker wird manchmal auch für High-Side Strommessungen verwendet. Dabei misst man eine kleine Differenzspannung in Anwesenheit einer hohen Gleichtaktspannung. In dieser einfach aussehenden Schaltung können jedoch verschiedene Faktoren die Leistung der Schaltung beeinträchtigen.

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Der klassische, mit vier Wiederständenbeschaltete Differenzverstärker für High-Side-Strommessungen sollte die Differenzspannung mit einem Verstärkungsfaktor von 1 oder höher verstärken und die Gleichtaktspannung um einen Faktor von 1000 oder höher dämpfen. In diesem Beispiel beträgt die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers mindestens 60 dB. Diese Schaltung sieht einfach aus – lediglich vier Widerstände und ein Operationsverstärker. Leider können bestimmte Faktoren die Leistungsfähigkeit der Schaltung beeinträchtigen.

Die Schaltung im Bild wird normalerweise mit Hilfe der Überlagerung analysiert. Es ergibt sich:

(Gl. 1)

Für die meisten Anwendungen gilt R2/R1 = R3/R4. Dies führt zu Gleichung 2:

(Gl. 2)

In der Praxis haben Widerstände keine konstanten Werte, ganz abgesehen von konstanten Verhältnissen. Widerstände gibt es mit unterschiedlichen Toleranzen wie ±1%, ±0,5% oder ±0,1%. Kleine Toleranzen und optimal aufeinander abgestimmte Widerstandspaare können teuer sein. Zusätzlich beeinflussen mechanische Belastungen und Temperaturänderungen die Widerstandswerte.

Aus Gleichung 1 ergibt sich für einen Differenzverstärker mit einer Verstärkung von 1 und einer Toleranz der Widerstände von ±1% eine Gleichtaktunterdrückung von lediglich 34 dB.

Als erste Näherung erhält man für die Gleichtaktunterdrückung etwa 20 log (Toleranz). Damit wäre die Gleichtaktunterdrückung für Widerstände mit 1% (0,01) Toleranz etwa 40 dB. Bei einer Quellenspannung von 5 V und einem Laststrom von 0 ergibt sich eine Ausgangsspannung von 50 mV – ein signifikanter Fehler. Dabei sind ungleiche Kapazitäten an Schaltungsknoten nicht berücksichtigt. Diese senken die AC-Gleichtaktunterdrückung oder die Offsetspannung des Operationsverstärkers multipliziert mit der Verstärkung des Rauschens der Schaltung.

Integrierte Differenzverstärker enthalten einen Verstärker und optimal aufeinander abgestimmte Widerstände auf einem Chip. Sie eliminieren alle oben genannten Probleme und bieten eine garantierte Leistungsfähigkeit in einem preiswerten Gehäuse mit kleinen Abmessungen.

Harry Holt ist Applikationsingenieur bei Analog Devices.

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