Penguat diferensial dengan output diferensial dan pergeseran mode umum

Rangkuman: Saya ingin membuat penguat diferensial dengan output diferensial, tetapi menggeser mode umum ke level yang berbeda dari aslinya.

Pengetahuan saya saat ini membawa saya sejauh ini: Ambil penguat instrumentasi 3-opamp tradisional, seperti yang ada di gambar ini:

Sekarang jika Anda mengambil dua opamps kiri tanpa ketiga, yang sudah memberi Anda hampir apa yang saya inginkan, yaitu, memperkuat input diferensial dan memberikan output diferensial. Satu-satunya masalah adalah mempertahankan mode umum input. Menambahkan opamp ke-3 di sebelah kanan, mudah untuk menggeser CM dengan membiasakan tanahnya (pada kenyataannya inilah yang dilakukan oleh kebanyakan amplifier chip tunggal ketika mereka memberikan pin Vbias), tetapi output dari rangkaian sekarang tunggal -selesai.

Jadi apa cara terbaik untuk menjaga output diferensial dan CM-shift? Salah satu caranya adalah, saya kira, hanya mengambil dua opamps kiri dari penguat instrumentasi di atas, dan menggeser masing-masing secara terpisah.

Pilihan lain yang muncul di pikiran saya adalah untuk mengambil hanya dua opamps kiri lagi, dan (menggunakan contoh ketika saya ingin membagi dua CM) gunakan dua kali gain sesuai kebutuhan, dan kemudian bagi setiap output dengan 2.

Sayangnya kedua solusi ini membutuhkan lebih banyak (dalam jumlah) resistor yang sangat cocok dengan TCR rendah (saya mencoba untuk menjaga agar suhu sirkuit tetap rendah), dan itu sangat mahal.

Jadi bagaimana Anda mengatasi masalah ini? Mungkin mengambil penguat instrumentasi adalah awal yang salah? Apakah salah satu solusi saya di atas adalah cara "standar" untuk melakukan ini, atau adakah sirkuit yang lebih baik untuk tujuan ini?

EDIT: Klarifikasi pada resistor yang cocok: Yang saya maksudkan adalah mencocokkannya dalam TCR, karena saya bertujuan untuk meminimalkan penyimpangan suhu. Ini berarti saya harus mencocokkan resistor dalam TCR, bukan dalam nilai absolut, sehingga ketika mereka melayang karena suhu, mereka akan mempertahankan rasio aslinya. Sebenarnya saya tidak tertarik dalam pencocokan nilai absolut (hampir, saya masih perlu sedikit pencocokan untuk mempertahankan CMRR), karena dua alasan: 1) ketidakcocokan dalam nilai absolut menyebabkan offset dan mendapatkan kesalahan, yang keduanya mudah dikalibrasi pada tingkat sistem. Mengukur dan memperbaiki pergeseran suhu jauh lebih sulit. 2) Sebagian besar kesalahan offset akan tetap tidak ada tanpa kalibrasi, karena ini akan menjadi ujung depan sensor, dan kesalahan offset akan dibatalkan karena AC eksitasi sensor. Bagaimanapun:

Ini melakukan apa yang diinginkan OP, keluaran diferensial di sekitar mode umum keluaran yang ditentukan, tanpa lebih, dan bahkan lebih sedikit, resistor presisi.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Jika tegangan mode umum tidak cocok dengan input pada Vcm, maka OA3 menggerakkan tegangan input ke kedua input pembalik, dengan gain yang sama, yang akan menyebabkan kedua tegangan output untuk memindahkan jumlah yang sama dalam arah yang sama, menjaga gain diferensial yang ada , tetapi menggeser mode umum hingga tidak ada kesalahan.

Stabilitas dapat menjadi masalah, karena ada dua amp dalam loop umpan balik. Saya menduga akan mudah untuk menstabilkan dengan mengalahkan bandwidth OA3, dan / atau mempercepat OA1 / 2 sedikit dengan C kecil di R3 dan R5, yang mungkin atau mungkin tidak diinginkan dari sudut pandang perilaku diferensial.

Perhatikan bahwa satu-satunya resistor yang perlu dicocokkan adalah R1 dan R2, yang mengatur dua terminal keluaran untuk dibuang secara merata di sekitar Vcm. Gain diferensial hanya (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), itu tidak perlu resistor yang cocok, ini bisa menjadi empat resistor nilai arbitrer, tergantung pada mendapatkan gain yang benar tentu saja. Saya menekankan fakta itu dengan meletakkan 4 nilai yang tak tertandingi dalam diagram untuk resistor tersebut. Gain diff adalah 7 (21k / 7k), dengan output tepat dibuang di sekitar Vcm karena R1 == R2, dan OA3. Cobalah!

Anda sudah memiliki apa yang Anda inginkan, hanya saja Anda membumikan input pergeseran level sehingga output dirujuk ke ground. Dalam skema Anda, tegangan di ujung kanan R3 akan ditambahkan ke perbedaan dari dua sinyal input.

Lebih mudah dipahami dengan melihat perbedaan amp yang lebih sederhana:

Ini tidak

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Untuk melihat ini, pertimbangkan apa yang terjadi ketika masing-masing input bervariasi dengan semua yang lain dipegang tetap.

Dari IN-, ini hanyalah penguat pembalik sederhana. Dengan IN + dan OFS tetap, nilai referensi tentang yang akan diperkuat dipertahankan tetap. Gainnya hanya -R3 / R1, yaitu -1 jika kedua resistor sama.

Dari input opamp +, ini hanyalah penguat sederhana dengan gain positif (R3 + R1) / R1. Dengan kedua resistor yang sama, yaitu 2. Untuk mencocokkan besarnya gain dari IN-, sinyal IN + perlu dilemahkan oleh 2. Itulah yang dilakukan R2 dan R4. Dengan OFS di permukaan, IN + dibagi 2 sebelum disajikan ke input opamp +. Itu kemudian diperkuat oleh 2, untuk keuntungan bersih dari IN + ke OUT dari +1.

Perhatikan bahwa OFS dan IN + bekerja dengan setara. Dalam persamaan di atas, saya menunjukkan OFS sebagai menambahkan offset ke sinyal output, dan IN + menjadi input diferensial positif, tetapi secara matematis keduanya sama.

Anda telah mencatat bahwa rangkaian opamp di sebelah kanan hanyalah penguat perbedaan yang menghilangkan sinyal CM. Polaritas ditentukan secara sewenang-wenang sehingga input pembalik terhubung ke atas dan non-pembalik ke bawah.

Anda dapat mencapai apa yang Anda inginkan dengan menduplikasi penguat perbedaan keseluruhan (termasuk R2 dan R3) tetapi membalik polaritas pada sirkuit kedua.

Anda benar bahwa kedua output dapat menjadi bias dengan mengganti koneksi ground dengan tegangan DC bersih.