Amplificador diferencial con salida diferencial y cambio de modo común

Resumen: Me gustaría construir un amplificador diferencial con salida diferencial, pero cambiar el modo común a un nivel diferente al original.

Mi conocimiento actual me lleva hasta aquí: tome el amplificador de instrumentación tradicional de 3 opamp, como el de esta imagen:

Amplificador de instrumentación básico de 3 opamp

Ahora, si toma los dos amplificadores operacionales de la izquierda sin el tercero, esos ya le dan casi lo que quiero, es decir, amplifican la entrada diferencial y dan una salida diferencial. El único problema es que conserva el modo común de la entrada. Al agregar el tercer amplificador operacional a la derecha, es fácil cambiar el CM polarizando su tierra (de hecho, esto es lo que hacen la mayoría de los amplificadores de instrumentos de un solo chip cuando proporcionan un pin Vbias), pero la salida del circuito ahora es única -terminado.

Entonces, ¿cuál es la mejor manera de mantener tanto la salida diferencial como el cambio de CM? Una forma es, supongo, tomar solo los dos opamps izquierdos del amplificador de instrumentación anterior y cambiar la tierra de cada uno por separado.

Otra opción que me viene a la mente es tomar solo los dos amplificadores operacionales de la izquierda nuevamente y (usando un ejemplo cuando quiero reducir a la mitad el CM) usar el doble de ganancia según sea necesario, y luego dividir cada salida por 2.

Desafortunadamente, ambas soluciones requieren más resistencias (en cantidad) altamente adaptadas con un TCR bajo (estoy tratando de mantener la deriva de temperatura del circuito muy baja), y esas son muy caras.

Entonces, ¿cómo abordarías este problema? ¿Quizás tomar un amplificador de instrumentación es un mal comienzo? ¿Es una de mis soluciones anteriores la forma "estándar" de hacer esto, o hay mejores circuitos para este propósito?

EDITAR: Aclaración sobre las resistencias coincidentes: lo que quiero decir es que coincidan en TCR, porque mi objetivo es minimizar la deriva de temperatura. Esto significa que necesito hacer coincidir las resistencias en TCR, no en valor absoluto, para que cuando se desvíen debido a la temperatura, mantengan sus proporciones originales. En realidad, no estoy interesado en hacer coincidir valores absolutos (casi, todavía necesito un poco de coincidencia para mantener CMRR), por dos razones: 1) una falta de coincidencia en el valor absoluto provoca errores de compensación y ganancia, los cuales son fáciles de calibrar en Nivel del sistema. Medir y corregir la desviación de temperatura es mucho más difícil. 2) La mayoría de los errores de compensación no existirán de todos modos sin ni siquiera calibrar, porque esto será una interfaz para un sensor, y los errores de compensación se cancelarán debido a la excitación de CA del sensor. De todos modos:

¿Tiene alguna razón específica para construir esto en lugar de comprarlo? Porque los amplificadores totalmente diferenciales están disponibles en el mercado para hacer lo que usted quiera.
No he encontrado una FDA adecuada con las especificaciones que necesito. Estoy limitado principalmente por el ruido del voltaje de entrada en la banda de 0,1-10 Hz, el consumo de energía y el precio. En realidad, no he encontrado una sola FDA con las especificaciones de ruido necesarias (por debajo de 100 nVp-p), mientras que hay muchas adecuadas entre los amplificadores operacionales generales y de instrumentación.
¿Podría aclarar lo que quiere de la salida del amplificador usando ecuaciones, por favor? Has escrito muchas palabras, y varios de nosotros las hemos entendido mal, tanto Olin como yo nos hemos equivocado de diferentes formas. Utilice algo inequívoco como álgebra, entonces sabremos lo que estamos tratando de lograr.
Estoy bastante seguro de que tanto Neil_UK como Supa Nova me entendieron correctamente, sus respuestas lo demuestran. Solo Olin no lo entendió, pero no sorprende si afirma que la señalización diferencial es lo mismo que una señal de CA + compensación. Lo único que necesitaba aclararte es que para mí es más importante hacer coincidir los TCR de resistencia que su valor absoluto. Sin embargo, esa es solo información adicional, no central. Resumiendo hasta el núcleo, mi pregunta era qué otros circuitos tienen además de mis "soluciones" en el OP para obtener salidas diferenciales con modo común ajustable. Usted proporcionó uno que funciona :)

Respuestas (3)

Esto hace lo que quería el OP, una salida diferencial alrededor de un modo común de salida definido, sin más, y de hecho menos, resistencias de precisión.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Si el voltaje de modo común no coincide con la entrada en Vcm, entonces OA3 genera un voltaje de entrada en ambas entradas inversoras, con la misma ganancia, lo que hará que ambos voltajes de salida se muevan la misma cantidad en la misma dirección, manteniendo la ganancia diferencial existente. , pero cambiando el modo común hasta que no haya ningún error.

La estabilidad puede ser un problema, ya que hay dos amplificadores en un circuito de retroalimentación. Sospecho que sería fácil de estabilizar golpeando el ancho de banda de OA3 y/o acelerando un poco OA1/2 con una pequeña C en R3 y R5, lo que puede o no ser deseable desde el punto de vista del comportamiento diferencial.

Tenga en cuenta que las únicas resistencias que deben combinarse son R1 y R2, que configuran las dos terminales de salida para que estén dispuestas por igual alrededor de Vcm. La ganancia diferencial es solo (R3+R4+R5+R6)/(R4+R6), no necesita resistencias coincidentes, estas pueden ser cuatro resistencias de valor arbitrario, sujetas a obtener la ganancia correcta, por supuesto. Enfatizo ese hecho al poner 4 valores no coincidentes en el diagrama para esas resistencias. La ganancia diferencial es 7 (21k/7k), con las salidas dispuestas exactamente alrededor de Vcm debido a R1==R2 y OA3. ¡Intentalo!

Simulé el circuito y funciona, ¡buena idea! Sin embargo, un "problema" es que pierde la principal ventaja detrás de las etapas de entrada del amplificador. La idea de que puede configurar la ganancia usando una sola resistencia, sin tener que preocuparse por hacer coincidir dos instancias diferentes de Rgain. Ahora R4 y R6 también deben coincidir en su circuito. EDITAR: Sin embargo, creo que sigue siendo una de las mejores respuestas, incluso considerando los costos.
En los últimos 2 minutos, lo he simulado. También funciona para mí. Hay algo sobre el Rg flotante en el amplificador de entrada convencional que es bastante bueno, que esto pierde.
@ultimA echa un vistazo a mi nueva edición y actualiza tu simulación, ¡no se requieren resistencias combinadas en la etapa de entrada! ¡Siéntete libre de aceptar la respuesta si te gusta!
No te preocupes, no me he olvidado de aceptar una respuesta, es solo que la pregunta no ha estado ni medio día, y generalmente espero un poco para darle tiempo a ella para responder también.
Lo siento, no estaba claro sobre la coincidencia de resistencias, consulte la edición al final del OP. Si tiene esto en cuenta, entonces su circuito editado no es realmente diferente de la primera versión en lo que respecta a la coincidencia de TCR. Sin embargo, sigue siendo una respuesta muy útil.
Ahora estoy confundido, ¿para qué elementos de la función de transferencia necesita seguimiento/TC bajo? ¿Necesita un modo común de salida absoluto o un cambio de modo común de salida definido con precisión desde el modo común de entrada? Ya sé que no desea una salida v- definida con precisión, porque eso es lo que ofrece un amplificador de entrada estándar. Sé que no quieres el mismo modo común, porque son los dos amplificadores de entrada por sí mismos. ¿Está solicitando una ganancia de modo diferencial de TC baja?

Ya tiene lo que desea, solo que conectó a tierra la entrada de cambio de nivel para que la salida esté referenciada a tierra. En su esquema, el voltaje en el extremo derecho de R3 se agregará a la diferencia de las dos señales de entrada.

Es más fácil de entender mirando un amplificador diferencial más simple:

Esto hace

   SALIDA = (ENTRADA+ - ENTRADA1) + OFS

Para ver esto, considere lo que sucede cuando se varía cada entrada y todo lo demás se mantiene fijo.

Desde IN-, esto es solo un amplificador inversor simple. Con IN+ y OFS fijos, el valor de referencia sobre el cual amplificar se mantiene fijo. La ganancia es solo -R3/R1, que es -1 si ambas resistencias son iguales.

Desde la entrada opamp +, este es solo un amplificador simple con ganancia positiva (R3 + R1)/R1. Con ambas resistencias iguales, eso es 2. Para igualar la magnitud de la ganancia de IN-, la señal IN+ debe atenuarse en 2. Eso es lo que hacen R2 y R4. Con OFS en tierra, IN+ se divide por 2 antes de presentarse a la entrada opamp +. Eso luego se amplifica por 2, para una ganancia neta de IN+ a OUT de +1.

Tenga en cuenta que OFS e IN+ funcionan de manera equivalente. En la ecuación anterior, mostré que OFS agrega el desplazamiento a la señal de salida, y que IN+ es la entrada diferencial positiva, pero matemáticamente ambos son equivalentes.

Esa es otra forma de sesgar la salida del tercer amplificador operacional, pero eso no me da la salida diferencial como se indica en la pregunta. ¿O entendí mal tu respuesta?
@ult: pensé que querías la diferencia entre las dos entradas, más un desplazamiento arbitrario. Al menos eso es lo que respondí.
No, esa no era la pregunta. Si quisiera lo que respondió, podría tomar la solución escrita en el OP por mí mismo, o simplemente usar un amplificador de entrada de un solo chip con un pin de polarización. Esto quedó claro en el OP que quiero salidas diferenciales.
@ult: una salida de un solo extremo con desplazamiento controlable es lo mismo que una salida diferencial. No puede simplemente tener una salida diferencial sin ninguna referencia, ya que la parte común no estaría definida. Puede pensar en la salida como OUT - OFS. Conduce OFS a lo que desea, y la diferencia de las entradas en relación con eso. No estoy seguro de lo que realmente quieres si esa no es una respuesta válida.
Una salida de un solo extremo con un desplazamiento controlable es muy diferente de una salida diferencial. En el primer caso, tiene la información de diferencia en una sola señal, y una señal de compensación constante (CC) especifica cuánto está sobre el suelo. Una señal diferencial lleva la diferencia en dos señales separadas que oscilan simétricamente alrededor del modo común (el desplazamiento), y no hay una señal de desplazamiento separada. Además, debe tener un terreno en AMBOS casos.

Ya ha notado que el circuito opamp de la derecha es solo un amplificador de diferencia que elimina la señal CM. La polaridad se asigna arbitrariamente de modo que la entrada inversora esté conectada en la parte superior y la no inversora en la parte inferior.

Puede lograr lo que desea duplicando todo el amplificador de diferencia (incluidos los R2 y R3) pero invirtiendo la polaridad en el segundo circuito.

Tiene razón en que ambas salidas pueden polarizarse reemplazando las conexiones a tierra con un voltaje de CC limpio.

Ya se ha ocupado de esto y no quiere hacerlo, ya que requiere 4 resistencias combinadas de precisión adicionales.
En mi humilde opinión, no es una mala solución, pero necesito más tiempo para investigar los componentes disponibles. La idea es que sí, ahora necesitaría hacer coincidir las resistencias entre los dos amplificadores de entrada, pero por otro lado podría hacerlo con amplificadores de entrada de un solo chip, por lo que uno podría necesitar menos resistencias en total.
Solo para aclarar, ¡esta respuesta de Supa Nova también es buena! Funcionaría y abordaría los problemas en el OP. Pero solo puedo aceptar una respuesta, y dado que la solución de Neil parece más rentable, me inclino a aceptar su respuesta. Perdón.
Amplificador diferencial con salida diferencial y cambio de modo común
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