Amplificateur différentiel avec sortie différentielle et décalage en mode commun

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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:

Amplificateur d'instrumentation de base à 3 opamps

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:

ultimA
la source
Avez-vous une raison précise de le construire au lieu de l'acheter? Parce que des amplificateurs entièrement différentiels sont disponibles sur étagère pour faire ce que vous voulez.
Le Photon
Je n'ai pas trouvé de FDA appropriée avec les spécifications dont j'ai besoin. Je suis principalement contraint par le bruit de la tension d'entrée dans la bande 0,1-10 Hz, la consommation d'énergie et le prix. En fait, je n'ai pas trouvé une seule FDA avec les spécifications de bruit nécessaires (en dessous de 100nVp-p), alors qu'il y a beaucoup de convenance parmi les opamps généraux et d'instrumentation.
ultimA
Pourriez-vous clarifier ce que vous voulez de la sortie de l'amplificateur en utilisant des équations s'il vous plaît. Vous avez écrit beaucoup de mots et plusieurs d'entre nous les ont mal compris, Olin et moi nous sommes trompés de différentes manières. Veuillez utiliser quelque chose d'univoque comme l'algèbre, alors nous saurons ce que nous essayons de réaliser.
Neil_UK
Je suis presque sûr que vous Neil_UK et Supa Nova m'avez bien compris, vos réponses le montrent. Seul Olin ne l'a pas compris, mais ce n'est pas surprenant s'il prétend que la signalisation différentielle est identique à un signal AC + offset. La seule chose que je devais clarifier, c'est qu'il est plus important pour moi de faire correspondre les TCR des résistances que leur valeur absolue. Ce ne sont que quelques informations supplémentaires, mais pas centrales. En résumé, ma question était de savoir quels autres circuits sont leurs en plus de mes "solutions" dans l'OP pour obtenir des sorties différentielles avec mode commun réglable. Vous en avez fourni un qui fonctionne :)
ultimA

Réponses:

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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.

schématique

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!

Neil_UK
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J'ai simulé le circuit, et ça marche, belle idée! Un "problème" est cependant qu'il perd le principal avantage derrière les étages d'entrée en ampli. L'idée que vous pouvez régler le gain à l'aide d'une seule résistance, sans avoir à vous soucier de faire correspondre deux instances différentes de Rgain. Maintenant, R4 et R6 doivent également être assortis dans votre circuit. EDIT: C'est, je pense, encore une des meilleures réponses, même en tenant compte des coûts.
ultimA
Au cours des 2 dernières minutes, je viens de le simuler. Ça marche pour moi aussi. Il y a quelque chose à propos du Rg flottant dans l'ampli conventionnel qui est plutôt sympa, que cela perd.
Neil_UK
@ultimA consultez ma nouvelle édition et mettez à jour votre simulation, résistances adaptées non requises dans l'étape d'entrée! N'hésitez pas à accepter la réponse si vous l'aimez!
Neil_UK
Ne vous inquiétez pas, je n'ai pas oublié d'accepter une réponse, c'est juste que la question n'a pas été posée, même une demi-journée, et j'attends généralement un peu pour donner le temps aux autres de répondre aussi.
ultimA
Désolé, je n'ai pas été clair sur la correspondance des résistances, veuillez consulter la modification à la fin de l'OP. Si vous prenez cela en considération, votre circuit édité n'est pas vraiment différent de la première version en ce qui concerne la correspondance TCR. Pourtant, une réponse très utile.
ultimA
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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.

Olin Lathrop
la source
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C'est une autre façon de polariser la sortie du 3e opamp, mais cela ne me donne pas la sortie différentielle comme demandé dans la question. Ou ai-je mal compris votre réponse?
ultimA
@ult: Je pensais que vous vouliez la différence entre les deux entrées, plus un décalage arbitraire. C'est du moins ce que j'ai répondu.
Olin Lathrop
Non, ce n'était pas la question. Si je voulais ce que vous avez répondu, je pourrais prendre la solution écrite dans l'OP par moi-même, ou simplement utiliser un ampli monopuce avec une broche de polarisation. Il était clair dans l'OP que je voulais des sorties différentielles.
ultimA
@ult: Une sortie asymétrique avec décalage contrôlable est identique à une sortie différentielle. Vous ne pouvez pas simplement avoir une sortie différentielle sans référence du tout, car la partie commune ne serait pas définie. Vous pouvez considérer la sortie comme étant SORTIE. Vous conduisez OFS à ce que vous voulez, et la différence entre les entrées est la suivante. Je ne sais pas ce que vous voulez vraiment si ce n'est pas une réponse valide.
Olin Lathrop
Une sortie asymétrique avec un décalage contrôlable est très différente d'une sortie différentielle. Dans le premier cas, vous avez les informations de différence dans un seul signal, et un signal de décalage constant (DC) spécifie combien il est au-dessus du sol. Un signal différentiel porte la différence en deux signaux distincts qui oscillent symétriquement autour du mode commun (le décalage), et il n'y a pas de signal de décalage séparé. Vous devez avoir un terrain en plus dans les DEUX cas.
ultimA
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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.

Supa Nova
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Il a déjà abordé ce problème et ne veut pas le faire car il nécessite 4 résistances assorties de précision supplémentaire.
Neil_UK
Pas une mauvaise solution à mon humble avis, mais j'ai besoin de plus de temps pour rechercher les composants disponibles. L'idée est que oui, je devrais maintenant faire correspondre les résistances entre les deux in-ampères, mais d'un autre côté, je pourrais utiliser des in-ampères à puce unique, donc on pourrait avoir besoin de moins de résistances au total.
ultimA
Juste pour clarifier, cette réponse de Supa Nova est également bonne! Cela fonctionnerait et résoudrait les problèmes du PO. Mais je ne peux accepter qu'une seule réponse, et puisque la solution de Neil semble plus rentable, je suis enclin à accepter sa réponse. Désolé.
ultimA