Que signifie la tension de mode commun dans un amplificateur d'instrumentation?

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entrez la description de l'image ici

Je lisais un texte sur les amplificateurs d'instrumentation. Je n'ai pas pu trouver d'explication facile sur ce que signifie vraiment la tension de mode commun et son importance.

user16307
la source
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Dans une IA, les résistances doivent être appariées aussi étroitement que possible pour éviter les erreurs, et l'expression mode commun fait référence à l'apparition d'un signal commun aux deux entrées, essentiellement lorsqu'elles sont liées ensemble. Par exemple, dans votre diagramme, deux sources sont représentées. La sortie du capteur est une source, connectée évidemment à une seule borne de l'IA. La deuxième source, la source de tension en "mode commun", représente tous les signaux qui pourraient être communs aux deux entrées.
krb686
Tiré de wikipedia sur le taux de réjection en mode commun : "Par exemple, lors de la mesure de la résistance d'un thermocouple dans un environnement bruyant, le bruit de l'environnement apparaît comme un décalage sur les deux fils d'entrée, ce qui en fait un signal de tension en mode commun. Le CMRR de l'instrument de mesure détermine l'atténuation appliquée au décalage ou au bruit. "
krb686
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Bien commun car le signal est littéralement commun (apparaissant sur les deux) entrées. En ce qui concerne le mode, je ne sais pas, car il ne fait pas référence à un "mode" dans lequel l'IA fonctionne ou quelque chose comme ça. Jetez un oeil à cette photo. m.eet.com/media/1138273/17407-figure_4.pdf Il fait un bon travail pour l'expliquer. Il existe 3 types de signaux en "mode commun". Il y a eLC, un bruit AC commun. eGD, où le sol flotte, ou Eos, où le conducteur est compensé d'une certaine tension. Les IA nécessitent un bon CMRR, ou un taux de réjection de mode commun, pour éviter les erreurs associées à de tels signaux communs.
krb686
Oui, si vous regardez votre diagramme, il ne fait qu'amplifier la différence par rapport aux sorties du capteur. Supposons que ce circuit se trouve dans un appareil mobile, où il n'y a pas de véritable connexion à la terre locale, alors le capteur et le circuit peuvent flotter au-dessus de la terre réelle, indiqué par Vcm.
krb686
Mais les deux entrées sont alors exposées au bruit. Pourquoi le bruit n'est pas annulé? Pourquoi y a-t-il encore ce Vcm ennuyeux?
user16307

Réponses:

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La tension de mode commun est un décalage de tension qui est "commun" aux entrées inverseuse et non inverseuse (c'est-à-dire "+" et "-") de l'ampli d'instrumentation. Un amplificateur d'instrumentation est configuré comme un amplificateur de différence, il mesure donc la différence entre ces deux entrées et rejette ainsi toute tension commune aux deux. En d'autres termes, si vous avez deux signaux v1 (t) et v2 (t) sur les deux entrées:

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

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

ce que l'ampli d'instrumentation mesurera est:

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

Notez que Vcm (t) (la tension de mode commun qui apparaît dans les deux signaux d'entrée) est annulée. Notez également que cela ne doit pas nécessairement être un signal DC, mais peut varier avec le temps.

Maintenant, pourquoi nous soucions-nous de la tension de mode commun lors de la sélection d'un amplificateur différentiel? Comme d'autres l'ont dit, il y a deux caractéristiques clés de l'amplificateur à considérer, le taux de réjection en mode commun (CMRR) et la plage de mode commun.

Le CMRR est important car l'amplificateur d'instrumentation n'est pas un amplificateur de différence idéal. Un amplificateur de différence idéal rejetterait 100% de la tension de mode commun dans les signaux d'entrée et ne mesurerait que la différence entre les deux signaux. Dans un ampli d'instrument du monde réel, ce n'est pas le cas, et il y a une quantité mesurable (bien que généralement très très petite) de la tension de mode commun sur l'entrée qui entre dans la sortie.

La plage en mode commun est importante, car elle limite la distance par rapport à la terre des signaux d'entrée mesurés. Il s'agit d'une limite car, en règle générale, vous ne pouvez pas mesurer les signaux en dehors des tensions d'alimentation (souvent appelées «rails») de l'amplificateur. Il existe des exceptions, mais en général, la tension de chaque signal d'entrée doit rester dans les rails d'alimentation de Donc, si vous alimentez votre amplificateur avec des rails de +/- 12V, vous ne pourrez peut-être pas mesurer la différence entre deux signaux avec un décalage en mode commun de 15V, même si la différence entre les deux signaux n'est que de 20mV. Par exemple, si vos deux signaux sont complètement DC et sont:

V1 = 15 + 0,010

V2 = 15 - 0,010

Vo = V1 - V2 = 0,020

Vous ne seriez pas en mesure de les mesurer si votre amplificateur d'instrumentation avait une plage de mode commun de +/- 12V.

Robert Ussery
la source
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Vos définitions ne correspondent à la manière habituelle de définir la tension de mode commun que si f1(t)=f2(t).
Le Photon
@Robert Ussery qui était l'explication la plus claire jusqu'à présent, j'ai trouvé
user16307
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Nous parlons en fait de représentation d'espace vectoriel. Nous recherchons un espace bidimensionnel défini par les deux tensions d'entrée <v1, v2> . Passer à la base <vcm, f1, f2> signifie utiliser une base à 3 éléments pour représenter un espace à 2 dimensions et implique donc que le rang de <vcm, f1, f2> est de toute façon 2 et ses éléments ne sont pas linéairement indépendants (c'est-à-dire orthogonaux ) plus longtemps. Vraiment pas une bonne idée, étant orthogonale simplifie vraiment beaucoup de calculs. La base de @ThePhoton <vcm, vd> est ce qui doit être utilisé à la place: c'est à 2 dimensions et linéairement indépendant
carloc
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Disons qu'un circuit a deux entrées, v1(t) et v2(t), nous pouvons décomposer mathématiquement cela en une partie de mode commun et différentielle , ce qui rend les deux circuits ci-dessous équivalents:

schématique

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

Pour que ces circuits soient équivalents, nous devons avoir

Vcm=V1+V22

Vd=V1V2.

Et nous appelons Vcmla tension de mode commun , et nous appelonsVdla tension différentielle .

Pourquoi c'est important?

Lorsque nous parlons d'amplis d'instrumentation, nous préférons exprimer l'entrée en termes de mode commun et différentiel car les amplis internes sont conçus pour avoir un gain élevé pour les signaux différentiels et idéalement aucune réponse aux signaux de mode commun.

C'est

Vod=AVid

Vod est le signal différentiel à la sortie, Videst le signal différentiel à l'entrée et A est le gain de l'amplificateur.

et

Vocm=V

V est une tension non liée aux entrées.

Le photon
la source
Qu'est-ce que VD et VD / 2 dans votre figure?
user16307
VD est le signal ou la tension différentielle. VD / 2 est la moitié de VD.
Le Photon du
u a écrit: "Lorsque nous parlons d'amplis d'instrumentation, nous préférons exprimer l'entrée en termes de mode commun et différentiel car les amplis internes sont conçus pour avoir un gain élevé pour les signaux différentiels et idéalement aucune réponse aux signaux de mode commun.". mais je ne comprends pas. en réalité, il n'y a qu'un seul signal à la fois sur chaque entrée. que voulez-vous dire qu'ils n'ont aucune réponse aux tensions en cm?
user16307
«aucune réponse aux signaux de mode commun» signifie que si les entrées + et - changent de la même manière, la sortie ne devrait pas changer. Par exemple, si les deux entrées augmentent de 10 mV, la sortie ne devrait pas changer. Si les deux entrées baissent de 5 mV, la sortie ne devrait pas changer
The Photon
Je peux me tromper, mais votre réponse semble incorrecte et coupable de la même hypothèse que vous avez mentionnée dans la réponse du haut (que les composantes différentielles sont égales et opposées). Les parties différentielles peuvent être n'importe quel signal chevauchant une tension commune aux deux entrées et pas nécessairement Vd / 2. Tout comme les entrées de -5V sur 15V et 2V sur 15V donneront la même sortie que les entrées de -4V sur 15V et 3V sur 15V . Je ne comprends donc pas comment votre deuxième diagramme d'amplificateur opérationnel et votre première équation sont valides. À moins que nous ne nous préoccupions que d'un Vcm supposé, car le Vcm réel ne peut être déterminé que empiriquement (?).
SoreDakeNoKoto
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la tension de mode commun n'est rien d'autre que l'offset auquel le signal diff se déplace au-dessus d'une référence commune, c'est-à-dire la terre. Ainsi, la tension CM a une signification du point de vue du fonctionnement de l'ampli op mais elle n'a aucun impact sur le signal diff interprété @ le récepteur car le récepteur mesure simplement la différence entre les deux signaux.

Oshi
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RE: "n'a aucun impact". Cela n'est vrai que si votre récepteur a une réjection parfaite en mode commun.
The Photon