Amplificador diferencial com saída diferencial e mudança de modo comum

8

Resumo: Gostaria de construir um amplificador diferencial com saída diferencial, mas mude o modo comum para um nível diferente do original.

Meu conhecimento atual me leva até aqui: leve o amplificador de instrumentação tradicional de 3 opamp, como o desta imagem:

Amplificador de instrumentação básico de 3 opamp

Agora, se você pegar os dois opamps à esquerda sem o terceiro, eles já lhe dão quase o que eu quero, ou seja, amplificar a entrada diferencial e dar uma saída diferencial. O único problema é que preserva o modo comum da entrada. Adicionando o terceiro opamp à direita, é fácil mudar o CM enviesando seu terreno (de fato, é o que a maioria dos amplificadores instr de chip único faz quando fornecem um pino Vbias), mas a saída do circuito agora é única -pedido.

Então, qual é a melhor maneira de manter a saída diferencial e o deslocamento CM? Eu acho que uma maneira de pegar apenas os dois opamps esquerdos do amplificador de instrumentação acima e mudar o solo de cada um separadamente.

Outra opção que me vem à mente é pegar apenas os dois opamps esquerdos novamente, e (usando um exemplo quando quero reduzir pela metade o CM), use o dobro do ganho conforme necessário e depois divida cada saída por 2.

Infelizmente, essas duas soluções exigem mais resistores (em quantidade) altamente compatíveis com TCR baixo (estou tentando manter a variação de temperatura do circuito muito baixa), e esses são muito caros.

Então, como você lidaria com esse problema? Talvez tomar um amplificador de instrumentação seja o começo errado? Uma das minhas soluções acima é a maneira "padrão" de fazer isso, ou existem melhores circuitos para esse fim?

EDIT: Esclarecimento sobre os resistores correspondentes: O que quero dizer é combiná-los no TCR, porque pretendo minimizar a variação de temperatura. Isso significa que eu preciso corresponder os resistores no TCR, não no valor absoluto, para que, quando eles se desviem devido à temperatura, mantenham suas proporções originais. Na verdade, não tenho interesse em combinar valores absolutos (quase, ainda preciso de um pouco de correspondência para manter o CMRR), por duas razões: 1) uma incompatibilidade no valor absoluto causa erros de compensação e ganho, ambos fáceis de calibrar em nível do sistema. Medir e corrigir o desvio de temperatura é muito mais difícil. 2) A maioria dos erros de deslocamento será inexistente mesmo sem a calibração, porque isso é uma interface para o sensor e os erros de deslocamento serão cancelados devido à excitação CA do sensor. De qualquer forma:

ultimA
fonte
Você tem um motivo específico para criar isso em vez de comprá-lo? Porque amplificadores totalmente diferenciais estão disponíveis nas prateleiras para fazer o que você deseja.
The Photon
Não encontrei um FDA adequado com as especificações necessárias. Estou principalmente limitado pelo ruído da tensão de entrada na faixa 0,1-10Hz, consumo de energia e preço. Na verdade, não encontrei um único FDA com as especificações de ruído necessárias (abaixo de 100nVp-p), enquanto há muito espaço entre os opamps gerais e de instrumentação.
Ultima
Você poderia esclarecer o que deseja da saída do amplificador usando equações, por favor. Você escreveu muitas palavras e muitos de nós as entendemos mal, tanto Olin quanto eu entendemos errado de maneiras diferentes. Por favor, use algo inequívoco como álgebra, para saber o que estamos tentando obter.
Neil_UK 12/12
Tenho certeza de que você, Neil_UK e Supa Nova, me entenderam corretamente, suas respostas mostram isso. Apenas Olin não entendeu, mas não surpreende se ele afirma que a sinalização diferencial é a mesma que um sinal AC + deslocamento. A única coisa que eu precisava esclarecer é que é mais importante para mim corresponder aos TCRs do resistor do que seu valor absoluto. Isso é apenas uma informação extra, porém não central. Resumindo, minha pergunta era quais são os outros circuitos, além das minhas "soluções" no OP para obter saídas diferenciais com o modo comum ajustável. Você forneceu um que funcione :)
Ultima

Respostas:

2

Isso faz o que o OP queria, uma saída diferencial em torno de um modo comum de saída definido, sem mais e de fato menos resistores de precisão.

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Se a tensão do modo comum não coincidir com a entrada em Vcm, o OA3 aciona uma tensão de entrada nas duas entradas inversoras, com o mesmo ganho, o que fará com que ambas as tensões de saída movam a mesma quantidade na mesma direção, mantendo o ganho diferencial existente. , mas mudando o modo comum até que não haja erro.

A estabilidade pode ser um problema, pois há dois amplificadores em um loop de feedback. Suspeito que seria fácil estabilizar com a largura de banda do OA3 e / ou acelerar o OA1 / 2 um pouco com um pequeno C entre R3 e R5, o que pode ou não ser desejável do ponto de vista do comportamento diferencial.

Observe que os únicos resistores que precisam ser correspondidos são R1 e R2, que configuram os dois terminais de saída para serem dispostos igualmente em torno de Vcm. O ganho diferencial é apenas (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), não precisa de resistores correspondentes, estes podem ser quatro resistores de valor arbitrário, sujeitos a obter o ganho correto, é claro. Enfatizo esse fato colocando 4 valores incomparáveis ​​no diagrama para esses resistores. O ganho diferencial é 7 (21k / 7k), com as saídas dispostas exatamente em torno de Vcm por causa de R1 == R2 e OA3. Tente!

Neil_UK
fonte
Simulei o circuito e funciona, boa ideia! Um "problema" é que ele perde a principal vantagem por trás dos estágios de entrada do amplificador. A ideia de que você pode definir o ganho usando um único resistor, não precisa se preocupar em combinar duas instâncias diferentes do Rgain. Agora R4 e R6 também precisam corresponder no seu circuito. EDIT: Acho que ainda é uma das melhores respostas, mesmo considerando os custos.
Ultima
Nos últimos 2 minutos, acabei de simular. Funciona pra mim também. Há algo sobre o Rg flutuante no amplificador convencional que é bastante bom, que isso perde.
Neil_UK
@ultimA confira minha nova edição e atualize sua simulação, resistores correspondentes não necessários no estágio de entrada! Sinta-se livre para aceitar a resposta, se quiser!
11502 Neil_UK
Não se preocupe, não esqueci de aceitar uma resposta, é só que a pergunta ainda não foi respondida nem meio dia, e geralmente espero um pouco para dar tempo aos outros para responder também.
Ultima
Desculpe, eu não estava claro sobre a correspondência de resistores, consulte a edição no final do OP. Se você levar isso em consideração, seu circuito editado não será realmente diferente da primeira versão no que diz respeito à correspondência do TCR. Ainda é uma resposta muito útil.
Ultima
1

Você já tem o que deseja, apenas aterrou a entrada de mudança de nível para que a saída seja referenciada à terra. No seu esquema, a tensão na extremidade direita do R3 será adicionada à diferença dos dois sinais de entrada.

É mais fácil entender olhando para um amplificador diferencial mais simples:

Isso faz

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Para ver isso, considere o que acontece quando cada entrada é variada com tudo o mais mantido fixo.

De IN-, este é apenas um amplificador inversor simples. Com IN + e OFS mantidos fixos, o valor de referência sobre o qual amplificar é mantido fixo. O ganho é apenas -R3 / R1, que é -1 se os dois resistores forem iguais.

Da entrada opamp +, este é apenas um amplificador simples com ganho positivo (R3 + R1) / R1. Com os dois resistores iguais, isto é 2. Para coincidir com a magnitude do ganho de IN-, o sinal IN + precisa, portanto, ser atenuado por 2. É isso que R2 e R4 fazem. Com o OFS no solo, o IN + é dividido por 2 antes de ser apresentado à entrada opamp +. Isso é amplificado por 2, para um ganho líquido de IN + a OUT de +1.

Observe que OFS e IN + funcionam de maneira equivalente. Na equação acima, mostrei o OFS adicionando o deslocamento ao sinal de saída e IN + sendo a entrada diferencial positiva, mas matematicamente ambos são equivalentes.

Olin Lathrop
fonte
1
Essa é outra maneira de influenciar a saída do terceiro opamp, mas isso não me dá a saída diferencial, conforme solicitado na pergunta. Ou entendi mal sua resposta?
Ultima
@ult: eu pensei que você queria a diferença entre as duas entradas, além de um deslocamento arbitrário. Pelo menos foi o que eu respondi.
amigos estão dizendo sobre
Não, essa não era a questão. Se eu quisesse o que você respondeu, eu poderia pegar a solução escrita no OP sozinho ou simplesmente usar um amplificador de chip único com um pino de polarização. Isso ficou claro no OP que eu quero saídas diferenciais.
Ultima
@ult: Uma saída de extremidade única com deslocamento controlável é igual a uma saída diferencial. Você não pode simplesmente ter uma saída diferencial sem nenhuma referência, pois a parte comum seria indefinida. Você pode pensar na saída como OUT-OFS. Você dirige o OFS para o que deseja, e a saída é o diff das entradas relativas a isso. Não sabe o que você realmente deseja se essa não for uma resposta válida.
Olin Lathrop
Uma saída de extremidade única com um deslocamento controlável é muito diferente de uma saída diferencial. No primeiro caso, você tem as informações de diferença em um único sinal e um sinal de deslocamento constante (CC) especifica o quanto está acima do solo. Um sinal diferencial transporta a diferença em dois sinais separados que oscilam simetricamente em torno do modo comum (o deslocamento), e não há sinal de deslocamento separado. Você precisa ter uma base adicional em ambos os casos.
Ultima
1

Você já notou que o circuito opamp à direita é apenas um amplificador de diferença que remove o sinal CM. A polaridade é arbitrariamente atribuída para que a entrada inversora seja conectada ao topo e não inversora ao fundo.

Você pode realizar o que deseja duplicando todo o amplificador de diferença (incluindo os R2s e R3s), mas inverter a polaridade no segundo circuito.

Você está certo de que ambas as saídas podem ser polarizadas substituindo as conexões de aterramento por uma tensão CC limpa.

Supa Nova
fonte
Ele já abordou isso e não quer fazê-lo, pois exige 4 resistências combinadas com precisão extra [rs.
11552 Neil_UK
Não é uma solução ruim IMHO, mas preciso de mais tempo para pesquisar os componentes disponíveis. A idéia é que sim, agora eu precisaria combinar os resistores entre os dois in-amperes, mas, por outro lado, seria possível com in-amplificadores de chip único, para que se pudesse precisar de menos resistores no total.
Ultima
Só para esclarecer, esta resposta da Supa Nova também é boa! Funcionaria e solucionaria os problemas do OP. Mas só posso aceitar uma resposta e, como a solução de Neil parece mais econômica, estou inclinado a aceitar a resposta dele. Desculpa.
Ultima