Analogtipp Winziger Verstärker treibt Lasten von 200 mW

Für das Treiben einer Wheatstone-Brücke muss ein Verstärker eine mittlere Leistung an die Last und gleichzeitig eine hohe DC-Genauigkeit liefern. Wir stellen eine kleine und kostengünstige Lösung vor.

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Manchmal müssen Verstärker eine mittlere Leistung an eine Last liefern und zugleich die DC-Genauigkeit wahren. Ein einfacher Präzisions-Operationsverstärker kann nur Lasten mit Leistungen unter 50 mW treiben, während ein Compound-Verstärker Lasten im Watt-Bereich handhaben kann.

Somit erfüllt ein einfacher Operartionsverstärker die Anforderungen nicht, der Compound-Verstärker schraubt Schaltungsaufwand, Platzbedarf und Kosten in die Höhe. Für den mittleren Leistungsbereich, z.B. zum Treiben eine Wheatstone-Brücke, wünschen sich Ingenieure daher eine spezialisierte, wenig aufwändige und kostengünstige Lösung.

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Beim Treiben einer Wheatstone-Brücke wirkt sich die Anregungsspannung unmittelbar auf den Offset und den Bereich aus. Daher ist eine hohe DC-Genauigkeit erforderlich. Beim Betrieb mit Stromversorgungen von 7 bis 15 V muss die Schaltung die Brücke mit einfacher Verstärkung von 100 mV bis 5 V treiben.

Handelsübliche Brückenwiderstände haben einen breiten Impedanzbereich, wobei hier vor allem niedrige Impedanzen interessieren. Dehnungsmessstreifen zum Beispiel weisen Standardimpedanzen von 120 oder 350 Ω auf. Mit einer 120-Ω-Brücke muss der Verstärker 42 mA liefern, um eine Brückentreiberspannung von 5 V aufrecht zu erhalten. Ferner muss die Schaltung einschließlich Kabel und Entkopplungskondensator bis zu 10 nF treiben können.

Wahl des Verstärkers

Der erste Schritt bei der Entwicklung dieser Schaltung ist die Wahl eines Verstärkers, der die Last treiben kann. Seine Dropout-Spannung muss unterhalb der erforderlichen Reserve für die Schaltung beim gewünschten Laststrom liegen. Für die Beispielschaltung beträgt die minimale Versorgungsspannung 7 V und die maximale Ausgangsspannung 5 V.

Mit einer Marge von 250 mV ergibt sich eine verfügbare Reserve von 1,75 V. Für den Zweifach-Präzisions-Operationsverstärker ADA4661-2 mit Rail-to-Rail-Ein- und Ausgängen ist bei einem Ausgangsstrom von 40 mA eine Dropout-Spannung von 900 mV spezifiziert. Somit sollte dieser Operationsverstärker die Anforderungen an die Reserve leicht erfüllen.

Stabilisierung der Rückkopplungsschleife

Es ist knifflig, die Lastkapazität zu erreichen, da die meisten Operationsverstärker 10 nF ohne externe Kompensation nicht treiben können. Eine klassische Technik zum Treiben großer kapazitiver Lasten ist der Einsatz von „Multiple Feedback“ (Bild 1a). Dabei isoliert ein hinreichend großer Widerstand R_ISO den Verstärkerausgang von der Lastkapazität.

Die DC-Genauigkeit bleibt erhalten, wenn man das Ausgangssignal über einen Widerstand zurückkoppelt. Die Schleifenstabilität bleibt erhalten, indem man den Verstärkerausgang über einen Kondensator zurückkoppelt. Leider kann aufgrund des Spannungsabfalls der Isolationswiderstand R_ISO im Beispiel nicht so groß wie notwendig gemacht werden, ohne gleichzeitig den Aussteuerbereich einzuschränken.

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