¿Cómo ayudan los amplificadores diferenciales a reducir el ruido?

Los amplificadores diferenciales (idealmente) eliminan el ruido de modo común. Los amplificadores diferenciales reales siempre tienen un pequeño desajuste entre las entradas positivas y negativas, por lo que CMRR se da como una figura de mérito.

Cualquier amplificador operacional genérico puede configurarse como un amplificador diferencial (usando resistencias externas discretas), pero un chip comercializado como differential amplifierestá optimizado para manejar señales diferenciales. Entre otras cosas, las redes de resistencias serán internas y se ajustarán mejor a la temperatura que con resistencias discretas.

En realidad, no proporciona la misma señal a ambas entradas. Una señal diferencial es diferente a una señal de un solo extremo. Una señal de un solo extremo usa tierra como referencia, pero las señales diferenciales incluyen su propia referencia.

Si piensa en usar un DMM de mano para medir el voltaje de una señal, generalmente conectará el cable negativo del DMM a la tierra del sistema. Eso es single-endedmedir, porque solo necesitas colocar el cable positivo para hacer la medición. Ahora imagine que desea medir solo la caída de voltaje a través de una resistencia pullup bajo alguna condición, mueve el cable negativo a un extremo de la resistencia y el cable positivo al otro extremo de la resistencia. Esa es una differentialmedida.

Algunas fuentes de señal deben ser diferenciales. Eche un vistazo a, Wien Bridgepor ejemplo, esta es una disposición comúnmente utilizada en celdas de carga de galgas extensométricas y otros transductores.

El enrutamiento de conexión adecuado es importante para ayudar a garantizar que cualquier ruido inyectado sea principalmente ruido de modo común. Una conexión típica de placa de circuito impreso enrutaría la señal sensible como un differential pair, con las rutas de PCB positiva y negativa corriendo una al lado de la otra. Cuando se usan cables aislados en lugar de un diseño de PCB, como en una configuración de prueba de banco de laboratorio, se twisted pairpuede usar una variedad de cables.

Si se inyecta ruido en una ruta y no en la otra, ese no es ruido de modo común, y tal configuración no obtendría el beneficio del rechazo de ruido de modo común del amplificador diferencial.

Lo que sugiere sobre el uso de un amplificador diferencial para amplificar una señal de ruido está relacionado con una configuración de bucle de control llamada feedforward(consulte http://en.wikipedia.org/wiki/Feed_forward_(control) ), que trata la fuente de ruido como una señal. para corregir otra etapa.

Digamos que tiene alguna señal, conectada por un par de cables, a un amplificador diferencial:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Cómo podríamos describir la corriente en estos cables? Una forma es simplemente medir la corriente en A y la corriente en B.

Alternativamente, pero de manera equivalente, podemos pensar en una corriente de modo común y una corriente de modo diferencial . Las corrientes de modo diferencial son aquellas en las que una corriente en A va acompañada de una corriente igual pero opuesta en B. Por ejemplo, si hay 1 mA en A y -1 mA en B, esa es una corriente de modo puramente diferencial de 2 mA.

Las corrientes de modo común son corrientes que son iguales en cada conductor. Si hay 1mA en A, y también 1mA en B, esa es una corriente de modo puramente común de 1mA.

En la práctica, la corriente en cualquier momento será una mezcla de las dos. Si medimos 4 mA en A y 2 mA en B, entonces la corriente de modo diferencial es de 2 mA (la diferencia de los dos) y la corriente de modo común es de 3 mA (el promedio de los dos). Formalmente:

¿Por qué es útil? La señal, tal como la dibujé, solo puede crear corrientes diferenciales en A y B. No tiene conexión con nada más, por lo que, según las leyes de Kirchoff, cualquier corriente que entre por el lado A debe salir por el lado B.

Pero, ¿y el ruido? El ruido puede acoplarse a este sistema a través de la inductancia o capacitancia mutua. Si la impedancia de A y B es igual desde la perspectiva de la fuente de ruido, cualquier corriente resultante del ruido será igual en A y B y, por lo tanto, en modo común. Este es un punto realmente importante: para que una medición diferencial obtenga algún beneficio de reducción de ruido, las impedancias de las dos líneas diferenciales deben ser iguales. Cualquier desequilibrio de impedancia permite que el ruido se acople al modo diferencial, agregando ruido a la señal. Las impedancias iguales también aseguran que las corrientes iguales generen voltajes iguales, momento en el que se vuelve irrelevante si su amplificador es un amplificador de voltaje o corriente: una corriente de modo común genera un voltaje de modo común, por lo que será rechazado de cualquier manera.

Un amplificador diferencial idealmente amplifica solo el modo diferencial. En la práctica, el modo común no se rechaza por completo, el CMRR, o la relación de rechazo del modo común, especificará hasta qué punto esto es cierto en la hoja de datos. Incluso para amplificadores operacionales básicos, esto puede ser bastante alto. Por ejemplo, TL072 especifica un CMRR mínimo de 75dB. Por lo tanto, en la medida en que podamos mantener el equilibrio de impedancia en todas las conexiones (que en realidad es la parte difícil), el ruido será de modo común y, por lo tanto, se atenuará en 75 dB en relación con la señal.

@widdalightsout, sus pensamientos sobre el rechazo del ruido son completamente correctos.

Acerca de su pregunta final... una posible razón sensata puede ser simplemente investigar el mismo ruido... ¡Feliz Año Nuevo!

@Phil Frost, me hiciste comenzar a pensar en cómo se pueden restar (cancelar) dos corrientes iguales...

Aquí tenemos un bucle... y no es correcto hablar de restar corrientes en un bucle... y voltajes - por un nodo. Por el contrario, podemos restar corrientes por un nodo ( sumario actual )... y voltajes - por un bucle ( sumador de voltaje )...

Al restar dos corrientes iguales por un nodo, una corriente entra y la otra - sale del nodo... y la salida es cero corriente... y un voltaje que puede ser amplificado por un humilde amplificador de un solo extremo (un ejemplo típico es el punto de suma del amplificador inversor op-amp). Aquí ambas corrientes fluyen en la misma dirección hacia el amplificador diferencial.

En un nodo, las dos corrientes se restarán pero aún existen; De manera similar, en un bucle, ambos voltajes se cancelarán ... pero aún existen en el bucle ... En su explicación, ambas corrientes han desaparecido y no fluye corriente en la línea ...

Si las corrientes fluyen en diferentes cables, debemos suponer que este amplificador diferencial tiene resistencias de entrada de un solo extremo bajas (entre cada entrada y tierra) y las corrientes pasan a través de ellas a tierra. Pero en este caso no se cancelan las mismas corrientes; se convierten en voltajes (de un solo extremo) que se restan en el bucle de entrada del amplificador. Entonces, "las corrientes fluirán, porque aunque puede tener un amplificador con una impedancia de entrada alta, nunca encontrará uno con una impedancia de entrada infinita", pero si se refiere a la impedancia de entrada de un solo extremo (no diferencial) ... e incluso en este caso, serán causados ​​por voltajes inducidos (EMI). Entonces, ¿por qué no hablar directamente de voltajes en lugar de corrientes?