Instrumentenverstärker

Ein Instrumentenverstärker ist eine spezialisierte Verstärkerschaltung, die sehr kleine Differenzsignale aus Sensorquellen mit hohem Gleichspannungsanteil zuverlässig verstärkt. Typische Merkmale sind eine sehr hohe Eingangsimpedanz, geringe Eingangsrauschen und eine ausgezeichnete Gleichtaktunterdrückung (CMRR). Dadurch lässt sich das nützliche Differenzsignal unabhängig von Störungen am gemeinsamen Leitersystem gewinnen.

Die klassische Bauform nutzt drei Operationsverstärker. Zwei Vorverstärker arbeiten als gepufferte Verstärker mit gemeinsamer Verstärkungsstufe, deren Verstärkung durch einen gemeinsamen Widerstand festgelegt wird. Die Ausgänge dieser Vorstufen speisen eine Differenzverstärkerschaltung, die das Differenzsignal der Eingänge zu einer einzelnen Ausgangspannung verstärkt. Die Schaltung bietet in der Regel ein hohes Verstärkungsband und lässt sich oft mit Einzel- oder Dualversorgung betreiben.

Zu den wichtigsten Eigenschaften gehören eine hohe Eingangsimpedanz, hohe Gleichtaktunterdrückung, niedriger Offset und geringe Drift sowie geringes Rauschen. Viele Instrumentenverstärker bieten einen einstellbaren Verstärkungsbereich von wenigen bis zu mehreren Tausend, oft mit feinen Stufen. Die Stabilität, Genauigkeit der Referenzspannung und das Verhalten bei großen Gleichanteilen hängen vom Design und von der Temperaturdrift der Bauteile ab.

Anwendungen finden sich in Mess- und Regeltechnik, Datenakquisition, Brückensensoren wie Dehnungsmessstreifen sowie in medizinischen Messgeräten wie EKG oder EEG. Instrumentenverstärker ermöglichen eine saubere Abbildung des Sensorsignals vor größeren Störquellen und sorgen für eine gute Linearität und Kalibrierbarkeit des Gesamtsystems.

Es gibt integrierte Instrumentenverstärker-Module oder diskrete Implementierungen. Moderne INA-ICs bieten oft Single-Supply-Betrieb, integrierte Filter oder Referenzspannungen und sind in Messgeräten standardisiert.