¿Qué significa el voltaje de modo común en un amplificador de instrumentación?

Estaba leyendo un texto sobre amplificadores de instrumentación. No pude encontrar ninguna explicación fácil de lo que significa el voltaje en modo realmente común y su importancia.

El voltaje de modo común es un desplazamiento de voltaje que es "común" a las entradas de inversión y no inversión (es decir, "+" y "-") del amplificador de instrumentación. Un amplificador de instrumentación está configurado como un amplificador de diferencia, por lo que mide la diferencia entre estas dos entradas y rechaza cualquier voltaje que sea común a las dos. En otras palabras, si tiene dos señales v1 (t) y v2 (t) en las dos entradas:

v1 (t) = f1 (t) + Vcm (t)

v2 (t) = f2 (t) + Vcm (t)

lo que medirá el amplificador de instrumentación es:

vo (t) = v1 (t) - v2 (t) = (f1 (t) + Vcm (t)) - (f2 (t) + Vcm (t)) = f1 (t) - f2 (t)

Tenga en cuenta que Vcm (t) (el voltaje de modo común que aparece en ambas señales de entrada) se cancela. También tenga en cuenta que esto no tiene que ser una señal de CC, sino que puede variar con el tiempo.

Ahora, ¿por qué nos importa el voltaje de modo común al seleccionar un amplificador de diferencia? Como han dicho otras personas, hay dos características clave del amplificador a considerar, la relación de rechazo de modo común (CMRR) y el rango de modo común.

El CMRR es importante porque el amplificador de instrumentación no es un amplificador diferencial ideal. Un amplificador de diferencia ideal rechazaría el 100% del voltaje de modo común en las señales de entrada, y solo mediría la diferencia entre las dos señales. En un amplificador de instrumento del mundo real, este no es el caso, y hay una cantidad medible (aunque típicamente muy pequeña) del voltaje de modo común en la entrada que ingresa a la salida.

El rango de modo común es importante, ya que limita qué tan lejos del suelo pueden estar las señales de entrada medidas. Este es un límite porque normalmente no se pueden medir señales fuera de los voltajes de suministro (a menudo denominados "rieles") del amplificador. Hay excepciones a esto, pero en general el voltaje de cada señal de entrada debe permanecer dentro de los rieles de suministro de Entonces, si está suministrando a su amplificador rieles de +/- 12V, es posible que no pueda medir la diferencia entre dos señales con una compensación de modo común de 15V, incluso si la diferencia entre las dos señales es de solo 20mV. Por ejemplo, si sus dos señales son completamente DC y son:

V1 = 15 + 0.010

V2 = 15 - 0.010

Vo = V1 - V2 = 0.020

No podría medirlos si su amplificador de instrumentación tuviera un rango de modo común de +/- 12V.

Digamos que un circuito tiene dos entradas, $v_1(t)$ y $v_2(t)$, podemos descomponer esto matemáticamente en una parte de modo común y diferencial , haciendo que los dos circuitos a continuación sean equivalentes:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Para que estos circuitos sean equivalentes, necesitamos tener

$V_{cm} = \frac{V_1+V_2}{2}$

$V_d = V_1 - V_2$.

Y llamamos $V_{cm}$el voltaje de modo común , y llamamos$V_d$El voltaje diferencial .

¿Por qué es importante?

Cuando hablamos de amplificadores de instrumentación, preferimos expresar la entrada en términos de modo común y diferencial porque los amplificadores internos están diseñados para tener una alta ganancia para señales diferenciales e idealmente no responden a las señales de modo común.

Es decir

$V_{o-d} = A V_{i-d}$

dónde $V_{o-d}$ es la señal diferencial en la salida, $V_{i-d}$es la señal diferencial en la entrada, y A es la ganancia del amplificador.

y

$V_{o-cm} = V$

donde V es un voltaje no relacionado con las entradas.

El voltaje de modo común no es más que el desplazamiento @ en el que la señal de diferencia viaja por encima de una referencia común, es decir, Tierra. Entonces, el voltaje CM tiene importancia desde el punto de vista de operación del amplificador operacional, pero no tiene ningún impacto en la señal diff que se interpreta en el receptor porque el receptor solo mide la diferencia entre las dos señales.