Der LT1167: Präziser, kostengünstiger und stromsparender Instrumentenverstärker erfordert einen einzelnen Verstärkungswiderstand

Einführung Der LT1167 ist der Instrumentenverstärker der nächsten Generation, der entwickelt wurde, um die vorherige Generation von monolithischen Instrumentenverstärkern sowie diskreten Lösungen mit mehreren Operationsverstärkern zu ersetzen. Instrumentenverstärker unterscheiden sich von Operationsverstärkern dadurch, dass sie Eingangssignale verstärken können, die nicht auf Masse bezogen sind. Der Ausgang eines Instrumentenverstärkers wird auf eine vom Eingang unabhängige externe Spannung bezogen. Umgekehrt wird die Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers aufgrund der Art seiner Rückkopplung auf die Differenz- und Gleichtakteingangsspannung bezogen. Eine separate Massereferenz und der hohe CMRR des Instrumentenverstärkers LT1167 reduzieren den Einfluss der Eingangsgleichtaktspannung auf das Ausgangssignal. Die Verstärkung im geschlossenen Regelkreis eines Operationsverstärkers und der meisten Instrumentenverstärker wird durch ein Widerstandsverhältnis eingestellt; die Verstärkung des LT1167 wird durch den Absolutwert eines externen Widerstands eingestellt. Der Verstärkungsfehler hängt vom Verhältnis eines externen Widerstands zum Wert der internen, lasergetrimmten Widerstände des LT1167 ab, die auf besser als 0.1% getrimmt sind. Sobald die Verstärkung eingestellt ist, wird erwartet, dass sie konstant bleibt, wenn sich die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom ändert. Jede Änderung der Verstärkung mit der Ausgangsschwankung zeigt sich als Verstärkungs-Nichtlinearität. Parameter wie Verstärkungsfehler, Spannungsoffset und CMRR sind eine Funktion des Trimmens. Die Nichtlinearität der Verstärkung kann nicht getrimmt werden; es ist eine Funktion des sorgfältigen Designs und des Layouts der Chips. Die Verwendung von gemeinsamen Schwerpunktgeometrien und isothermem Layout hebt die Fehler aufgrund von Chipspannungen und thermischen Gradienten auf. Wenn dies nicht richtig gemacht wird, wird das gesamte Trimmen der Welt die Leistung nicht verbessern. Eingangsschutz Instrumentenverstärker müssen in einer feindlichen Umgebung überleben. Der LT1167 muss nicht nur ESD im Handling (Power off) aushalten, sondern auch Überspannungen im Betrieb überstehen. Die Eingänge des LT1167 verfügen über interne Dioden mit geringem Leckverlust von jedem Eingang zu den Stromversorgungen. Diese Dioden haben einen maximalen Nennstrom von 20 mA und schützen den IC, wenn die Eingangsspannung die Versorgungsschienen überschreitet. Präzision und Unzerstörbarkeit werden kombiniert, wenn ein externer 20k-Widerstand in Reihe mit jedem Eingang geschaltet wird. Der Offset-Spannungsnachteil ist gering, da der 320-pA-Offset-Strom vom LT1167 multipliziert mit den 20k-Eingangswiderständen nur 6.4 μV zusätzlichen Offset beiträgt. Mit den 20k-Widerständen kann der LT1167 sowohl Eingangsfehler von ±400 V DC als auch ESD-Spitzen über 4 kV verarbeiten. Dies entspricht der europäischen Norm IEC 1004-2 Level 2. Die rauscharme Spannung von 7.5 nV√Hz wird durch den Leerlauf eines Großteils des 0.9mA Versorgungsstroms in der Eingangsstufe erreicht. Der Eingangs-Bias-Strom wird durch die Verwendung von Superbeta-Transistoren, Stromunterdrückungsschaltungen und Trimmen nicht beeinträchtigt. Der Eingangs-Bias-Strom des LT1167 ist mit nur 350 pA bei Raumtemperatur besser als der einer JFET-Eingangsstufe; sie verdoppelt sich nicht alle 10°C. Der LT1167 ist auch auf kritische DC-Parameter wie Eingangs-Offsetspannung und CMRR getrimmt. Diese Trimmungen ermöglichen es dem Verstärker, eine sehr hohe DC-Genauigkeit zu erreichen; Die gesamte eingangsbezogene Offsetspannung beträgt nur 60 μV und der CMRR ist besser als 110 dB bei einer Verstärkung von zehn. Der Eingangs-Offset im schlimmsten Fall liegt bei einer Verstärkung von eins; es ist garantiert weniger als 240μV für die erstklassige Qualität. Der LT1167 wird in 8-Pin-PDIP- und SO-Gehäusen angeboten, wodurch im Vergleich zu diskreten Designs erheblich Platz auf der Platine eingespart wird. Mit diesen Vorteilen findet der LT1167 problemlos seinen Weg in viele Anwendungen. „Roll Your Own“ – Diskrete vs. monolithische LT1167 Fehlerbudgetanalyse Der LT1167 bietet eine Leistung, die der von „Roll Your Own“ überlegenen, diskreten Drei-Operationsverstärker-Designs überlegen ist. Eine typische Anwendung, die den Differenzausgang eines Brückenwandlers verstärkt und puffert, ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Verstärker, dessen Verstärkung auf 20 eingestellt ist, verstärkt eine differenzielle Ausgangsspannung von XNUMX mV über den industriellen Temperaturbereich. Der diskrete Instrumentierungsverstärker verwendet den besten verfügbaren Superbeta-Quad-Operationsverstärker mit geringer Leistung, dem LT1114. Dieser Vergleich zeigt, dass der LT1167 einen diskreten Instrumentenverstärker mit einem hochmodernen Operationsverstärker übertrifft. Der Vergleich des Fehlerbudgets in Tabelle 1 zeigt, wie verschiedene Fehler berechnet und auf den Gesamtausgang der Brücke von 20 mV bezogen werden. Die Tabelle zeigt, dass einige der größten Fehlerunterschiede zwischen dem LT1167 und der diskreten Lösung die Eingangs-Offsetspannung, die Eingangs-Offset-Spannungsdrift und das CMRR sind. Um die CMRR-Leistung des LT0.02 zu erreichen, sind teure Präzisions-Widerstands-Arrays erforderlich, die eine Anpassung von 1167 % liefern können. Der Gesamtfehler der LT1167-Lösung ist viel geringer als der der diskreten Lösung. Der LT1167 hat gegenüber einem diskreten Design weitere Vorteile, darunter eine geringere Verlustleistung, niedrigere Komponentenkosten und eine geringere Größe.             Abbildung 1. „Roll your own“ im Vergleich zu LT1167. Tabelle 1a. „Roll Your Own“ vs. LT1167 Fehlerbudget Fehlerquelle LT1167 Schaltkreisberechnungen „Roll Your Own“ Schaltkreisberechnungsfehler (PPM) des Vollausschlags LT1167 „Roll Your Own“ Absolute Genauigkeit bei TA = 25 °C Eingangs-Offsetstrom IOS × RS/VFS IOS × RS/VFS 4 4 Eingangsoffsetspannung VOSI/VFS ∆VOS/VFS 3000 6500 Ausgangsoffsetspannung VOSO/G/VFS VOS × NG/G/VFS 150 75 CMRR CMRR × VCM/VFS RM × VCM/G/VFS 790 500 Absoluter Gesamtfehler 3944 7079 Drift auf 85° C Eingangs-Offset-Spannungsdrift TCVOSI × ∆T/VFS TC∆VOS × ∆T/VFS 1200 5700 Ausgangs-Offset-Spannungsdrift TCVOSO × ∆T/G/VFS TCVOS × NG × ∆T/ G/VFS 180 78 Verstärkungsdrift (TCG + TCR) × ∆T TCRM × ∆T 3600 6000 Gesamtdriftfehler 4980 11778 Auflösungsverstärkung Nichtlinearität GNL RNL 15 10 Typisch 0.1 Hz–10 Hz Spannungsrauschen en/VFS en × √2/VFS 14 21 Gesamtauflösungsfehler 29 31 Gesamtsummenfehler 8953 18888 Tabelle 1b. In Tabelle 1a verwendete Begriffe Begriff LT1167 Spec LT1114C Spec Kommentar IOS 450pA 500pA Eingangs-Offset-Strom RS 350Ω/2 350Ω/2 Quellenwiderstand VFS 20mV 20mV Full-Scale-Eingangsspannung VOSI 60μV N/A Eingangs-Offset-Spannung ∆VOS N/A 130μV Eingangs-Offset Spannungsanpassung VOSO 300μV N/A Ausgangs-Offsetspannung VOS N/A 75μV Offsetspannung NG N/A 2V/V Rauschverstärkung des Ausgangs-Operationsverstärkers G 100V/V 100V/V Verstärkung CMRR 110dB (3.16ppm) N/A Gleichtaktunterdrückung Verhältnis VCM 5V 5V Gleichtaktspannung RM NA 0.02% Widerstandsanpassung TCVOSI 0.4V/°CN/A Temperaturkoeffizient der Eingangsoffsetspannung ∆T 60°C 60°C Temperaturänderung TC∆VOS n.z. 1.9μV/°C Temperatur Offset-Spannungskoeffizient TCVOSO 6μV/°CN/A Temperaturkoeffizient der Ausgangs-Offsetspannung TCVOS N/A 1.3μV/°C Temperaturkoeffizient der Offset-Spannung TCG 50ppm/°CN/A Temperaturkoeffizient der Verstärkung TCR 10ppm/°CN/A Temperaturkoeffizient des Widerstands TCRM N/A 100ppm/°C Temperaturkoeffizient der Widerstandsanpassung GNL 15ppm N/A Verstärkung Nichtlinearität RNL N/A 10ppm Resist oder Nichtlinearität en 0.28μVP-P 0.3μVP-P 0.1Hz–10Hz Spannungsrauschen LT1167 im Vergleich zur Konkurrenz Was über den LT1167 im Vergleich zu diskreten Lösungen gesagt wurde, gilt auch für frühere IC-Instrumentenverstärker. Verbesserungen des Schaltungsdesigns und des gemeinsamen Schwerpunktlayouts verbessern CMRR, PSRR, Verstärkungsfehler und Nichtlinearität gegenüber konkurrierenden IC-Lösungen erheblich. Der LT1167 hat eine Verbesserung von 10 dB für CMRR und eine Verbesserung von 20 dB für PSRR für den ungünstigsten Fall von Einheitsverstärkung. Der Verstärkungsfehler ist für alle Verstärkungen bis zu 0.1 besser als 2.5 %, was einer 5- bis 1167-fachen Verbesserung gegenüber früheren ICs entspricht. Dieser Verstärkungsfehler wird auch dann beibehalten, wenn der Ausgang schwere Lasten antreiben muss, dank Verbesserungen im gemeinsamen Schwerpunktlayout. Der LT2 behält auch beim Fahren mit schweren Lasten eine hervorragende Leistung. Abbildung 1167 ist ein Foto des LT1 mit einem Gewinn von tausend bei einer Last von 3k. Abbildung 10 ist ein IC-Instrumentenverstärker der vorherigen Generation im gleichen Zustand. Sie können sehen, warum für ältere ICs ein 1k-Lastwiderstand und kein XNUMXk-Widerstand angegeben wurde.     Abbildung 2. LT1167-Verstärkungs-Nichtlinearität: RC = 1k; VO = ±10V.     Abbildung 3. Verstärkungs-Nichtlinearität eines Instrumentenverstärkers der vorherigen Generation: RC = 1k; VO = ±10V. Niedrige IB begünstigt Brücken mit hoher Impedanz, verringert die Verlustleistung Der niedrige Versorgungsstrom des LT1167, der Betrieb mit niedriger Versorgungsspannung und der niedrige Eingangs-Bias-Strom (350pA max.) ermöglichen eine gute Integration in batteriebetriebene Anwendungen. Eine geringe Gesamtverlustleistung erfordert die Verwendung von Brücken mit höherer Impedanz. Abbildung 4 zeigt den LT1167, der an den Differenzausgang einer 3kΩ-Brücke angeschlossen ist. Die Impedanz der Brücke ist fast eine Größenordnung höher als die der in der Fehlerbudgettabelle verwendeten Brücke. Die Pikoampere-Eingangs-Bias-Ströme halten den durch den Offset-Strom verursachten Fehler immer noch auf einem vernachlässigbaren Niveau. Der LT1112-Pegel verschiebt den Referenzpin des LT1167 und die analogen Massepins des ADC über Masse. Dies ist bei Single-Supply-Anwendungen erforderlich, da der Ausgang nicht auf Masse schwingen kann. Die kombinierte Verlustleistung von LT1167 und LT1112 ist immer noch geringer als die der Bridge. Der gesamte Versorgungsstrom dieser Schaltung beträgt nur 3 mA.     Abbildung 4. Einzelversorgungs-Druckwächter. ADC-Signalkonditionierung Der LT1167 ist in Abbildung 5 dargestellt, der ein Differenzsignal in ein Single-Ended-Signal umwandelt. Das Single-Ended-Signal wird dann mit einem passiven RC-Tiefpassfilter 1. Ordnung gefiltert und an den 1400-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) des LTC12 angelegt. Die Ausgangsstufe des LT1167 kann die kleine nominale Eingangskapazität des ADC problemlos ansteuern und so die Signalintegrität bewahren. Abbildung 6 zeigt zwei FFTs des Ausgangs des Verstärkers/ADCs. Die Abbildungen 6a und 6b zeigen die Ergebnisse des Betriebs des LT1167 mit einer Verstärkung von Eins bzw. einer Verstärkung von zehn. Daraus ergibt sich ein typischer SINAD von 70.6 dB.     Abbildung 5. Der LT1167 wandelt Differenzsignale in Single-Ended-Signale um; der LT1167 ist ideal für den Betrieb des LTC1400.     Abbildung 6. Bei einer Verstärkung von eins (links) oder zehn (rechts) erreicht die Schaltung von Abbildung 5 einen 12-Bit-Betrieb mit einem SINAD von 70.6 dB. Stromquelle Abbildung 7 zeigt eine einfache, genaue, programmierbare Stromquelle mit geringem Stromverbrauch. Die Differenzspannung an den Pins 2 und 3 wird an RG gespiegelt. Die Spannung an RG wird verstärkt und an R1 angelegt, wodurch der Ausgangsstrom definiert wird. Der von Pin 50 fließende 5μA Vorspannungsstrom wird vom LT1464 JFET Operationsverstärker gepuffert, wodurch die Auflösung der Stromquelle auf 3pA erhöht wird.     Abbildung 7. Präzisionsstromquelle. Nervenimpulsverstärker Das geringe Stromrauschen des LT1167 macht ihn ideal für EKG-Monitore mit MΩ-Quellimpedanzen. Die Schaltung in Abbildung 1167 demonstriert die Fähigkeit des LT8, Signale mit niedrigem Pegel zu verstärken, und nutzt die Vorteile der hohen Verstärkung und des rauscharmen Betriebs des Verstärkers. Diese Schaltung verstärkt die von einem Patienten an den Pins 2 und 3 des LT1167 empfangenen schwachen Nervenimpulssignale. RG und die Parallelkombination von R3 und R4 setzen eine Verstärkung von zehn. Das Potenzial an Pin 1112 des LT1 erzeugt eine Masse für das Gleichtaktsignal. Der hohe CMRR von 1167 dB des LT110 sorgt dafür, dass das gewünschte Differenzsignal verstärkt und unerwünschte Gleichtaktsignale gedämpft werden. Da der DC-Anteil des Signals nicht wichtig ist, bilden R6 und C2 einen 0.3-Hz-Hochpassfilter. Das AC-Signal an Pin 1112 des LT5 wird mit einer Verstärkung von 101 verstärkt, die durch R7/R8 + 1 eingestellt wird. Die parallele Kombination von C3 und R7 bildet einen Tiefpassfilter, der diese Verstärkung bei Frequenzen über 1 kHz verringert.     Abbildung 8. Medizinischer EKG-Monitor. Die Fähigkeit, mit ±3 V bei 0.9 mA Versorgungsstrom zu arbeiten, macht den LT1167 ideal für batteriebetriebene Anwendungen. Der gesamte Versorgungsstrom für diese Anwendung beträgt 1.7 mA. Dieser Stromkreis muss durch geeignete Sicherheitsvorkehrungen, wie z. B. Isolierung, ergänzt werden, um den Patienten vor möglichen Schäden zu schützen. Fazit Der Instrumentenverstärker LT1167 bietet höchste Präzision, geringstes Rauschen, höchste Fehlertoleranz sowie die einfache Bedienung durch die Einzelwiderstandsverstärkungseinstellung. Der LT1167 wird in 8-Pin-PDIP- und SO-Gehäusen angeboten. Der SO benötigt deutlich weniger Platz auf der Platine als diskrete Designs. Mit diesen Vorteilen und der Möglichkeit, über einen weiten Versorgungsspannungsbereich bei einem Ruhestrom von 0.9 mA zu arbeiten, eignet sich der LT1167 für eine Vielzahl von Anwendungen.

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