Amplificador diferencial con salida diferencial y cambio de modo común

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Resumen: me gustaría construir un amplificador diferencial con salida diferencial, pero cambiar el modo común a un nivel diferente del original.

Mi conocimiento actual me lleva hasta aquí: tome el amplificador de instrumentación tradicional de 3 opamp, como el de esta imagen:

Amplificador básico de instrumentación de 3 opamp

Ahora, si tomas los dos opamps de la izquierda sin el tercero, esos ya te dan casi lo que quiero, es decir, amplificar la entrada diferencial y dar una salida diferencial. El único problema es que conserva el modo común de la entrada. Al agregar el tercer opamp a la derecha, es fácil cambiar el CM al polarizar su tierra (de hecho, esto es lo que hacen la mayoría de los amplificadores de inserción de un solo chip cuando proporcionan un pin Vbias), pero la salida del circuito ahora es única terminado.

Entonces, ¿cuál es la mejor manera de mantener tanto la salida diferencial como el CM-shift? Una forma es, supongo, tomar solo los dos opamps de la izquierda del amplificador de instrumentación anterior y cambiar el terreno de cada uno por separado.

Otra opción que me viene a la mente es tomar solo los dos opamps de la izquierda nuevamente y (usando un ejemplo cuando quiero dividir a la mitad el CM) usar el doble de ganancia según sea necesario, y luego dividir cada salida por 2.

Desafortunadamente, ambas soluciones requieren más (en cantidad) resistencias altamente adaptadas con bajo TCR (estoy tratando de mantener la deriva de temperatura del circuito muy baja), y son muy costosas.

Entonces, ¿cómo resolverías este problema? ¿Quizás tomar un amplificador de instrumentación es un mal comienzo? ¿Es una de mis soluciones anteriores la forma "estándar" de hacer esto, o existen mejores circuitos para este propósito?

EDITAR: Aclaración sobre las resistencias coincidentes: lo que quiero decir es unirlas en TCR, porque tengo el objetivo de minimizar la deriva de temperatura. Esto significa que necesito hacer coincidir las resistencias en TCR, no en valor absoluto, de modo que cuando se desvíen debido a la temperatura, mantengan sus relaciones originales. En realidad, no estoy interesado en hacer coincidir los valores absolutos (casi, todavía necesito un poco de coincidencia para mantener CMRR), por dos razones: 1) una falta de coincidencia en el valor absoluto causa errores de compensación y ganancia, los cuales son fáciles de calibrar en Nivel del sistema. Medir y corregir la deriva de temperatura es mucho más difícil. 2) La mayoría de los errores de compensación serán inexistentes de todos modos sin siquiera calibrarse, porque esto será una interfaz para un sensor, y los errores de compensación se cancelarán debido a la excitación de CA del sensor. De todas formas:

última
fuente
¿Tiene una razón específica para construir esto en lugar de comprarlo? Debido a que los amplificadores totalmente diferenciales están disponibles en el estante para hacer lo que desee.
The Photon
No he encontrado una FDA adecuada con las especificaciones que necesito. Estoy principalmente limitado por el ruido del voltaje de entrada en la banda de 0.1-10Hz, el consumo de energía y el precio. En realidad, no he encontrado una sola FDA con las especificaciones de ruido necesarias (por debajo de 100nVp-p), mientras que hay muchas adaptaciones entre amplificadores generales y de instrumentación.
ultimA
¿Podría aclarar lo que desea de la salida del amplificador utilizando ecuaciones, por favor? Has escrito muchas palabras, y varios de nosotros las hemos entendido mal, tanto Olin como yo nos hemos equivocado de diferentes maneras. Utilice algo inequívoco como álgebra, luego sabremos lo que estamos tratando de lograr.
Neil_UK
Estoy bastante seguro de que tanto Neil_UK como Supa Nova me entendieron correctamente, sus respuestas lo demuestran. Solo que Olin no lo entendió, pero no es sorprendente si afirma que la señalización diferencial es lo mismo que una señal de CA + desplazamiento. Lo único que necesitaba aclararle es que es más importante para mí hacer coincidir los TCR de resistencia que su valor absoluto. Sin embargo, esa es solo una información adicional, no central. En resumen, mi pregunta era qué otros circuitos son, además de mis "soluciones" en el OP para obtener salidas diferenciales con modo común ajustable. Usted proporcionó uno que funciona :)
ultimA

Respuestas:

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Esto hace lo que el OP quería, una salida diferencial alrededor de un modo común de salida definida, sin más resistencias de precisión, y de hecho menos.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Si el voltaje en modo común no coincide con la entrada en Vcm, entonces OA3 conduce un voltaje de entrada en ambas entradas inversoras, con la misma ganancia, lo que hará que ambos voltajes de salida se muevan la misma cantidad en la misma dirección, manteniendo la ganancia diferencial existente , pero cambiando el modo común hasta que no haya ningún error.

La estabilidad puede ser un problema, ya que hay dos amplificadores en un ciclo de retroalimentación. Sospecho que sería fácil estabilizarse reduciendo el ancho de banda de OA3 y / o acelerando un poco OA1 / 2 con una pequeña C en R3 y R5, lo que puede o no ser deseable desde el punto de vista del comportamiento diferencial.

Tenga en cuenta que las únicas resistencias que deben coincidir son R1 y R2, que configuran los dos terminales de salida para que estén igualmente dispuestos alrededor de Vcm. La ganancia diferencial es solo (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), no necesita resistencias emparejadas, estas pueden ser cuatro resistencias de valor arbitrario, sujetas a obtener la ganancia correcta, por supuesto. Destaco ese hecho al poner 4 valores inigualables en el diagrama para esas resistencias. La ganancia diferencial es 7 (21k / 7k), con las salidas dispuestas exactamente alrededor de Vcm debido a R1 == R2 y OA3. ¡Intentalo!

Neil_UK
fuente
Simulé el circuito, y funciona, ¡buena idea! Sin embargo, un "problema" es que pierde la principal ventaja detrás de las etapas de entrada en el amplificador. La idea de que puede establecer la ganancia usando una sola resistencia, sin tener que preocuparse por combinar dos instancias diferentes de Rgain. Ahora R4 y R6 también deben coincidir en su circuito. EDITAR: Esta es una de las mejores respuestas, incluso teniendo en cuenta los costos.
ultimA
En los últimos 2 minutos, lo acabo de simular. A mí también me funciona. Hay algo sobre el Rg flotante en el amplificador convencional que es bastante agradable, que pierde.
Neil_UK
@ultimA echa un vistazo a mi nueva edición y actualiza tu simulación, ¡las resistencias coincidentes no son necesarias en la etapa de entrada! ¡No dude en aceptar la respuesta si le gusta!
Neil_UK
No se preocupe, no me he olvidado de aceptar una respuesta, es solo que la pregunta no ha estado planteada ni siquiera medio día, y generalmente espero un poco para darles a sus padres tiempo para responder también.
ultimA
Lo siento, no estaba claro sobre la coincidencia de resistencia, consulte la edición al final del OP. Si toma esto en consideración, su circuito editado no es realmente diferente de la primera versión en lo que respecta a la coincidencia de TCR. Sin embargo, sigue siendo una respuesta muy útil.
ultimA
1

Ya tiene lo que desea, solo que conectó a tierra la entrada de cambio de nivel para que la salida haga referencia a tierra. En su esquema, el voltaje en el extremo derecho de R3 se agregará a la diferencia de las dos señales de entrada.

Es más fácil de entender mirando un amplificador diferencial más simple:

Esto hace

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Para ver esto, considere lo que sucede cuando cada entrada varía con todo lo demás mantenido fijo.

Desde IN-, esto es solo un simple amplificador inversor. Con IN + y OFS mantenidos fijos, el valor de referencia sobre el cual amplificar se mantiene fijo. La ganancia es solo -R3 / R1, que es -1 si ambas resistencias son iguales.

Desde la entrada opamp +, este es solo un amplificador simple con ganancia positiva (R3 + R1) / R1. Con ambas resistencias iguales, eso es 2. Para igualar la magnitud de la ganancia de IN-, la señal IN + necesita ser atenuada por 2. Eso es lo que hacen R2 y R4. Con OFS en tierra, IN + se divide por 2 antes de presentarse a la entrada opamp +. Luego se amplifica en 2, para una ganancia neta de IN + a OUT de +1.

Tenga en cuenta que OFS e IN + funcionan de manera equivalente. En la ecuación anterior, mostré que OFS agregaba el desplazamiento a la señal de salida e IN + era la entrada diferencial positiva, pero matemáticamente ambos son equivalentes.

Olin Lathrop
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Esa es otra forma de sesgar la salida de la tercera opamp, pero eso no me da la salida diferencial como se hizo en la pregunta. ¿O entendí mal tu respuesta?
ultimA
@ult: pensé que querías la diferencia entre las dos entradas, más un desplazamiento arbitrario. Al menos eso es lo que respondí.
Olin Lathrop
No, esa no era la pregunta. Si quisiera lo que respondiste, podría tomar la solución escrita en el OP por mí mismo, o simplemente usar un amplificador de un solo chip con un pin de polarización. Esto estaba claro en el OP que quiero salidas diferenciales.
ultimA
@ult: una salida de un solo extremo con desplazamiento controlable es lo mismo que una salida diferencial. No puede simplemente tener una salida diferencial sin ninguna referencia, ya que la parte común no estaría definida. Puede pensar que la salida está FUERA DE OFS. Conduce OFS a lo que desea, y fuera es la diferencia de las entradas relativas a eso. No estoy seguro de lo que realmente quieres si esa no es una respuesta válida.
Olin Lathrop
Una salida de un solo extremo con un desplazamiento controlable es muy diferente de una salida diferencial. En el primer caso, tiene la información de diferencia en una sola señal, y una señal de compensación constante (CC) especifica cuánto está por encima del suelo. Una señal diferencial lleva la diferencia en dos señales separadas que oscilan simétricamente alrededor del modo común (el desplazamiento), y no hay una señal de desplazamiento separada. Necesita tener una base además en AMBOS casos.
ultimA
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Ya ha notado que el circuito opamp de la derecha es solo un amplificador de diferencia que elimina la señal CM. La polaridad se asigna arbitrariamente para que la entrada inversora se conecte a la parte superior y no se invierta a la parte inferior.

Puede lograr lo que desea duplicando todo el amplificador de diferencia (incluidos los R2 y R3) pero invirtiendo la polaridad en el segundo circuito.

Tiene razón en que ambas salidas pueden ser sesgadas al reemplazar las conexiones a tierra con un voltaje de CC limpio.

Supa Nova
fuente
Ya ha abordado esto, y no quiere hacerlo, ya que requiere 4 resistencias combinadas de precisión extra [rs.
Neil_UK
No es una mala solución en mi humilde opinión, pero necesito más tiempo para investigar los componentes disponibles. La idea es que sí, ahora tendría que hacer coincidir las resistencias entre los dos amplificadores de entrada, pero por otro lado podría hacerlo con amplificadores de entrada de un solo chip, por lo que uno podría necesitar menos resistencias en total.
ultimA
Solo para aclarar, ¡esta respuesta de Supa Nova también es buena! Funcionaría y resolvería los problemas en el OP. Pero solo puedo aceptar una respuesta, y dado que la solución de Neil parece más rentable, me inclino a aceptar su respuesta. Lo siento.
ultimA