Amplificador de instrumentación frente a amplificador de diferencia amortiguado

Esta es una pregunta más antigua, pero vale la pena responderla: el circuito 1 es la evolución lógica del circuito 2.

Si comienza con el circuito 2 y convierte esos búfer de entrada en amplificadores no inversores, todavía tiene una alta impedancia y obtiene la ventaja de tener una ganancia de dos etapas (por lo que no pone toda la ganancia en la etapa de diferencia donde podría saturar o causar otros problemas). Entonces, si su segunda etapa tuvo una ganancia de 100, ahora puede hacer 10x y 10x. Vea el circuito a continuación (ignore los valores de resistencia, son solo los valores predeterminados para ilustrar el punto).

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

A continuación, puede simplemente tomar esas dos resistencias conectadas a tierra en las entradas inversoras de la primera etapa y conectarlas entre sí, y obtendrá el amplificador de instrumentación. Por lo tanto, obtiene dos etapas de amplificación y la capacidad de realizar una ganancia ajustable por el usuario. Realmente no pierde nada (excepto la necesidad de 3 resistencias más). CMRR es lo mismo, realmente no pierdes nada allí.

EDITAR: Respondiendo a una pregunta en el comentario: ¿por qué podemos unir esos dos motivos? La tierra en este circuito no necesita ser la misma tierra. Puede pensar que los que están en la primera etapa son la tierra de entrada (modo común), y el que está después de R5 es la tierra de salida (a lo que sea la siguiente etapa). Entonces puedes ver que puedes atarlos juntos. Ok, ¡entonces unimos las entradas! Pero, ¿qué sucede si desea "acceder" a ese voltaje de entrada de modo común que acaba de enterrar en el medio de una resistencia? Puede recuperarlo con un divisor de voltaje, que es cómo funcionan los circuitos de controlador de la pierna derecha en los ECG y cómo funcionan los amplificadores de instrumentación con arranque. Consulte https://www.ti.com/lit/an/sbaa188/sbaa188.pdf Nota de aplicación SBAA-188 de TI "

Interesante... 17 horas sin respuesta... ¿Es realmente tan difícil responder a una pregunta así? Entonces +1 por complejidad :)

He aquí algunas consideraciones que pueden ayudar a responder...

Ambos circuitos son amplificadores de 2 etapas pero la ganancia total se distribuye de manera diferente: en el circuito superior, la primera etapa es un amplificador mientras que la segunda etapa es un seguidor; en el circuito inferior, la primera etapa es un seguidor mientras que la segunda etapa es un amplificador.

Creo que otra ventaja del circuito superior es que su primera etapa puede tener una ganancia significativa sin empeorar el factor CMRR. Esto se debe a que amplifica (sigue) la señal de modo común solo una vez (los nodos 1 - 4 y todos los puntos dentro de las resistencias entre ellos siguen las variaciones de modo común). Por lo tanto, podemos distribuir la ganancia total entre las dos etapas.

Si tratamos de hacer que los seguidores de voltaje del circuito inferior se amplifiquen (haciéndolos amplificadores no inversores separados), esto disminuirá el rango de modo común de entrada y los amplificadores operacionales de entrada se saturarán incluso con voltajes comunes de entrada bajos.

Creo que hace muchos años, el mismo problema llevó a la invención de la famosa pareja de cola larga. Probablemente, ensamblaron originalmente un "amplificador diferencial" de seguidores de dos emisores (tubos)... pero pronto se dieron cuenta de que esta solución de circuito amplificará tanto las señales diferenciales como las de modo común. Luego se les ocurrió esta ingeniosa solución para unir las salidas de los seguidores y combinar sus resistencias de emisor (tubo) en una "cola". Vea también una discusión relacionada con ResearchGate .

La fuente principal del empeoramiento del CMRR en ambos circuitos es el desajuste de la resistencia. Y dado que hay resistencias en ambas etapas del circuito superior, se podría suponer que su CMRR es peor.

Acabo de darme cuenta de otra diferencia interesante entre los dos circuitos que puede ayudar en la respuesta: en el segundo circuito, hay un rechazo de modo común solo en la segunda etapa, mientras que en el primer circuito hay un rechazo de modo común en ambas etapas. ...

Me gustaría mencionar que:

• el circuito CMMR (causado por la falta de coincidencia de la resistencia y OpAmp CMMR) no es el problema principal aquí. Afecta la "forma de diamante", al igual que las compensaciones de voltaje de entrada, la ganancia finita, la corriente de salida y la deriva de temperatura. La "forma de diamante" parece extraerse solo de las limitaciones de entrada y salida (incluidos los nodos internos) en comparación con los rieles de alimentación. Los CMMR afectan linealmente a todo el rango (como otras características no ideales) y lo que muestra la forma son los límites para la operación lineal.

• dividir la resistencia de ganancia es muy interesante para desglosar el problema en otros independientes más simples, pero el análisis funciona para amplificadores operacionales ideales y solo cuando los voltajes internos no importan. La "toma central" cambia la forma en que fluyen las corrientes en las resistencias de la etapa de entrada y lleva el "punto medio" del componente a tierra, lo que afecta el voltaje de modo común en las entradas y los voltajes de salida absolutos de la primera etapa. De hecho, como se menciona en otra respuesta, es una gran técnica para mejorar el control sobre los voltajes internos de modo común.

• muchos INA tienen ganancia unitaria en la segunda etapa. En estos casos la ganancia no se divide en dos etapas, sino que se "mueve" a la etapa de entrada. Ese es un problema con respecto al voltaje de modo común. Los voltajes absolutos en los nodos internos dependen del voltaje de modo común de entrada, incluso con ganancia = 1 (que transfiere el voltaje CM a las salidas internas, como en el segundo circuito que se muestra en la pregunta).

Entradas y salidas afectadas por el modo común:

Con respecto a la pregunta específica, el "amplificador diferencial con búfer" es un caso especial para el INA completo, donde Rg = infinito. Incluso se puede simular con la herramienta de diamante, desde dispositivos analógicos, para INAs con ganancia unitaria en la segunda etapa.

El diamante se genera a partir de la intersección de 3 polígonos, que generan un área que se compara con la región operativa ideal (que es un rectángulo). Gráficamente, funciona así:

El amplificador funcionará linealmente si todo el rango de entrada (Vdiff y Vcm) genera una salida ideal (que también depende de Vref) que se ajuste completamente a la intersección de los 3 polígonos. La salida ideal se muestra como un rectángulo rojo.

El paralelogramo azul se refiere a los límites de salida. Sigue los rieles de voltaje, de acuerdo con las características del componente, y se desplaza hacia arriba y hacia abajo con Vref. El rombo verde se refiere a los "nodos internos" y la información necesaria para dibujarlo generalmente no está disponible en las hojas de datos. Los puntos más alto y más bajo están centrados en Vref y la forma varía con los rieles de voltaje. En todos los componentes que simulé, la forma no se ve afectada por la ganancia (y esto es extraño).

El rombo naranja está relacionado con los límites de entrada. Los puntos más alto y más bajo también están centrados en Vref y la forma varía con los rieles de voltaje y la ganancia. Cuanto mayor sea la ganancia, más ancha será la forma. Dado que los dos rombos son muy similares para la ganancia = 1 en todos los INA que verifiqué, aumentar la ganancia hace que la "forma de diamante" dependa menos del rombo naranja.

¿¡Llegaste aquí!? Bueno, una respuesta directa a la pregunta es: depende, y para los INA realmente integrados, no hace una gran diferencia.

Si va más allá de la pregunta y realmente quiere resolver los problemas de voltaje de CM, vaya con soluciones específicas como la mencionada para ECG.