Amplificateur différentiel avec sortie différentielle et décalage en mode commun

Résumé: Je voudrais construire un amplificateur différentiel avec sortie différentielle, mais changer le mode commun à un niveau différent de l'original.

Mes connaissances actuelles m'emmènent aussi loin: prenez l'amplificateur d'instrumentation traditionnel à 3 amplis, comme celui de cette image:

Maintenant, si vous prenez les deux amplis op gauche sans le troisième, ceux-ci vous donnent déjà presque ce que je veux, c'est-à-dire, amplifier l'entrée différentielle et donner une sortie différentielle. Le seul problème est qu'il préserve le mode commun de l'entrée. En ajoutant le 3ème opamp à droite, il est facile de déplacer le CM en polarisant sa masse (en fait, c'est ce que font la plupart des amplificateurs d'instruments à puce unique lorsqu'ils fournissent une broche Vbias), mais la sortie du circuit est maintenant unique -fin.

Alors, quelle est la meilleure façon de conserver à la fois la sortie différentielle et le décalage CM? Une façon est, je suppose, de ne prendre que les deux amplis op gauche de l'amplificateur d'instrumentation ci-dessus, et de déplacer le sol de chacun séparément.

Une autre option qui me vient à l'esprit est de ne reprendre que les deux amplis op gauche, et (en utilisant un exemple lorsque je veux diviser par deux le CM) utiliser le double du gain selon les besoins, puis diviser chaque sortie par 2.

Malheureusement, ces deux solutions nécessitent plus (en quantité) de résistances hautement adaptées avec un TCR faible (j'essaie de maintenir la dérive de température du circuit très faible), et celles-ci sont sacrément chères.

Alors, comment aborderiez-vous ce problème? Peut-être que prendre un amplificateur d'instrumentation n'est pas le bon début? L'une de mes solutions ci-dessus est-elle la manière "standard" de le faire, ou existe-t-il de meilleurs circuits à cet effet?

EDIT: Clarification sur l'adaptation des résistances: ce que je veux dire, c'est de les faire correspondre dans TCR, car je vise à minimiser la dérive de température. Cela signifie que je dois faire correspondre les résistances en TCR, pas en valeur absolue, de sorte que lorsqu'elles dériveront en raison de la température, elles conserveront leurs ratios d'origine. En fait, je ne suis pas intéressé à faire correspondre les valeurs absolues (presque, j'ai encore besoin d'un peu de correspondance pour maintenir CMRR), pour deux raisons: 1) un décalage dans la valeur absolue provoque des erreurs de décalage et de gain, qui sont toutes deux faciles à calibrer à niveau système. Mesurer et corriger la dérive de température est beaucoup plus difficile. 2) La plupart des erreurs de décalage seront de toute façon inexistantes sans même calibrage, car ce sera un frontal pour un capteur, et les erreurs de décalage seront annulées en raison de l'excitation CA du capteur. En tous cas:

Cela fait ce que l'OP voulait, une sortie différentielle autour d'un mode commun de sortie défini, sans plus, et en fait moins de résistances de précision.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Si la tension de mode commun ne correspond pas à l'entrée à Vcm, alors OA3 entraîne une tension d'entrée dans les deux entrées inverseuses, avec le même gain, ce qui entraînera les deux tensions de sortie à se déplacer de la même quantité dans la même direction, en maintenant le gain différentiel existant , mais en déplaçant le mode commun jusqu'à ce qu'il n'y ait pas d'erreur.

La stabilité peut être un problème, car il y a deux amplis dans une boucle de rétroaction. Je soupçonne qu'il serait facile de se stabiliser en encombrant la bande passante OA3 et / ou en accélérant un peu OA1 / 2 avec un petit C sur R3 et R5, ce qui peut ou non être souhaitable du point de vue du comportement différentiel.

Notez que les seules résistances qui doivent être adaptées sont R1 et R2, qui définissent les deux bornes de sortie pour qu'elles soient disposées de manière égale autour de Vcm. Le gain différentiel est juste (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), il n'a pas besoin de résistances adaptées, il peut s'agir de quatre résistances de valeur arbitraire, sous réserve d'obtenir le gain correct bien sûr. J'insiste sur ce fait en mettant 4 valeurs inégalées dans le diagramme pour ces résistances. Le gain diff est de 7 (21k / 7k), avec les sorties exactement disposées autour de Vcm en raison de R1 == R2 et OA3. Essayez!

Vous avez déjà ce que vous voulez, juste que vous avez mis à la terre l'entrée de décalage de niveau afin que la sortie soit référencée à la masse. Dans votre schéma, la tension à l'extrémité droite de R3 sera ajoutée à la différence des deux signaux d'entrée.

Il est plus facile à comprendre en regardant un ampli diff plus simple:

Cela ne

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Pour voir cela, considérez ce qui se passe lorsque chaque entrée varie, tout le reste étant fixe.

De IN-, ce n'est qu'un simple amplificateur inverseur. Avec IN + et OFS maintenus fixes, la valeur de référence autour de laquelle amplifier est maintenue fixe. Le gain est juste de -R3 / R1, qui est de -1 si les deux résistances sont égales.

De l'entrée opamp +, ce n'est qu'un simple amplificateur à gain positif (R3 + R1) / R1. Avec les deux résistances égales, c'est-à-dire 2. Pour correspondre à l'amplitude du gain de IN-, le signal IN + doit donc être atténué de 2. C'est ce que font R2 et R4. Avec OFS au sol, IN + est divisé par 2 avant d'être présenté à l'entrée opamp +. Cela est ensuite amplifié par 2, pour un gain net de IN + à OUT de +1.

Notez que OFS et IN + fonctionnent de manière équivalente. Dans l'équation ci-dessus, j'ai montré OFS comme ajoutant le décalage au signal de sortie, et IN + étant l'entrée différentielle positive, mais mathématiquement, ils sont tous deux équivalents.

Vous avez déjà remarqué que le circuit opamp à droite n'est qu'un amplificateur de différence qui supprime le signal CM. La polarité est arbitrairement attribuée de sorte que l'entrée inverseuse soit connectée en haut et non inversée en bas.

Vous pouvez accomplir ce que vous voulez en dupliquant l'intégralité de l'amplificateur de différence (y compris les R2 et R3), mais inversez la polarité sur le deuxième circuit.

Vous avez raison de dire que les deux sorties peuvent être polarisées en remplaçant les connexions de masse par une tension CC propre.