Дифференциальный усилитель с дифференциальным выходом и синфазным переключением

8

Резюме: я хотел бы построить дифференциальный усилитель с дифференциальным выходом, но переключить общий режим на уровень, отличный от исходного.

Мои нынешние знания позволяют мне зайти так: возьмите традиционный инструментальный усилитель с 3 операционными усилителями, как показано на этом рисунке:

Базовый 3-операционный инструментальный усилитель

Теперь, если вы возьмете два операционных усилителя без третьего, они уже дадут вам почти то, что я хочу, то есть увеличьте дифференциальный вход и получите дифференциальный выход. Единственная проблема заключается в том, что он сохраняет общий режим ввода. Добавляя третий операционный усилитель справа, легко сместить CM, смещая его землю (фактически, это то, что делают большинство однокристальных усилителей, когда они предоставляют вывод Vbias), но выход схемы теперь одиночный -ended.

Итак, каков наилучший способ сохранить дифференциальный выход и сдвиг CM? Один из способов, я полагаю, состоит в том, чтобы взять только два левых операционных усилителя вышеупомянутого инструментального усилителя и сдвинуть землю каждого из них в отдельности.

Другой вариант, который мне приходит в голову, - это снова взять только два левых операционных усилителя и (используя пример, когда я хочу уменьшить CM) вдвое увеличить усиление по мере необходимости, а затем разделить каждый выход на 2.

К сожалению, оба этих решения требуют большего (по количеству) высоко согласованных резисторов с низким значением TCR (я стараюсь поддерживать очень низкий температурный дрейф схемы), и это чертовски дорого.

Итак, как бы вы пошли об этой проблеме? Может быть, неправильное начало использования измерительного усилителя? Является ли одно из моих решений выше "стандартным" способом сделать это, или есть лучшие схемы для этой цели?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Разъяснения по согласованию резисторов: я имею в виду, чтобы соответствовать им в TCR, потому что я стремлюсь минимизировать температурный дрейф. Это означает, что мне нужно согласовать резисторы в TCR, а не по абсолютной величине, чтобы при смещении из-за температуры они сохраняли свои исходные отношения. На самом деле я не заинтересован в сопоставлении абсолютных значений (почти, мне все еще нужно немного сопоставления для поддержания CMRR) по двум причинам: 1) несоответствие в абсолютном значении вызывает ошибки смещения и усиления, которые легко калибровать при системный уровень. Измерение и коррекция температурного дрейфа намного сложнее. 2) Большинство ошибок смещения в любом случае будут отсутствовать даже без калибровки, потому что это будет внешний интерфейс датчика, а ошибки смещения будут отменены из-за возбуждения датчика переменного тока. Тем не мение:

исход слова
источник
У вас есть конкретная причина, чтобы построить это, а не купить? Потому что полностью дифференциальные усилители доступны с полки, чтобы делать то, что вы хотите.
Фотон
Я не нашел подходящего FDA с нужными мне характеристиками. Я в основном ограничен шумом входного напряжения в диапазоне 0,1-10 Гц, потребляемой мощностью и ценой. На самом деле, я не нашел ни одного FDA с необходимыми характеристиками шума (ниже 100 нВп-р), в то время как среди общих и инструментальных операционных усилителей достаточно.
ultimA
Не могли бы вы уточнить, что вы хотите от выхода усилителя, используя уравнения, пожалуйста. Вы написали много слов, и некоторые из нас неправильно их поняли, и Олин, и я неправильно поняли это по-разному. Пожалуйста, используйте что-то недвусмысленное, например, алгебру, тогда мы узнаем, что мы пытаемся достичь.
Neil_UK
Я уверен, что вы, Neil_UK и Supa Nova, меня правильно поняли, ваши ответы показывают это. Только Олин не понял, но не удивительно, если он утверждает, что дифференциальная сигнализация такая же, как сигнал переменного тока + смещение. Единственное, что мне нужно было прояснить, это то, что для меня важнее согласовать резисторные TCR, чем их абсолютное значение. Это только некоторая дополнительная информация, но не центральная. Вкратце, мой вопрос заключался в том, какие еще схемы используются в дополнение к моим «решениям» в OP для получения дифференциальных выходов с регулируемым общим режимом. Вы предоставили тот, который работает :)
ultimA

Ответы:

2

Это делает то, что хотел OP, дифференциальный выходной сигнал вокруг определенного выходного синфазного режима, без дополнительных и фактически меньших прецизионных резисторов.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Если синфазное напряжение не соответствует входному значению в Vcm, то OA3 подает входное напряжение на оба инвертирующих входа с одинаковым коэффициентом усиления, что приведет к тому, что оба выходных напряжения будут перемещаться на одинаковую величину в одном направлении, поддерживая существующий дифференциальный коэффициент усиления , но смещение общего режима, пока нет ошибки.

Стабильность может быть проблемой, так как в петле обратной связи есть два усилителя. Я подозреваю, что было бы легко стабилизироваться путем сокращения полосы пропускания OA3 и / или небольшого ускорения OA1 / 2 с небольшим C по R3 и R5, что может быть или не быть желательным с точки зрения дифференциального поведения.

Обратите внимание, что единственные резисторы, которые должны быть согласованы, это R1 и R2, которые устанавливают две выходные клеммы одинаково расположенными вокруг Vcm. Дифференциальное усиление просто (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), для него не требуются согласованные резисторы, это могут быть четыре резистора произвольного значения, при условии, конечно, правильного усиления. Я подчеркиваю этот факт, помещая 4 непревзойденных значения в диаграмму для этих резисторов. Коэффициент усиления равен 7 (21k / 7k), а выходы точно расположены вокруг Vcm из-за R1 == R2 и OA3. Попробуй это!

Neil_UK
источник
Я смоделировал схему, и она работает, хорошая идея! «Проблема» в том, что он теряет главное преимущество за входными каскадами усилителя. Идея в том, что вы можете установить усиление с помощью одного резистора, не беспокоясь о соответствии двух разных экземпляров Rgain. Теперь R4 и R6 должны быть согласованы в вашей схеме. РЕДАКТИРОВАТЬ: Это, я думаю, по-прежнему один из лучших ответов, хотя, даже с учетом затрат.
ultimA
В последние 2 минуты я только что смоделировал это. У меня это тоже работает. Есть что-то хорошее в плавающем Rg в обычном усилителе, что он проигрывает.
Neil_UK
@ultimA Посмотри мое новое редактирование и обнови симуляцию, согласованные резисторы не требуются на этапе ввода! Не стесняйтесь принять ответ, если вам это нравится!
Neil_UK
Не волнуйтесь, я не забыл принять ответ, просто вопрос не поднимался даже полдня, и я, как правило, немного жду, чтобы дать время другим тоже ответить.
ultimA
Извините, я не уточнил соответствие резисторов, пожалуйста, смотрите редактирование в конце OP. Если вы принимаете это во внимание, то ваша отредактированная схема на самом деле не отличается от первой версии в том, что касается соответствия TCR. Тем не менее, очень полезный ответ.
ultimA
1

У вас уже есть то, что вы хотите, просто вы заземлили вход сдвига уровня, поэтому выход привязан к земле. В вашей схеме напряжение на правом конце R3 будет добавлено к разности двух входных сигналов.

Это проще понять, посмотрев на более простой дифференциальный усилитель:

Это делает

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Чтобы увидеть это, рассмотрим, что происходит, когда каждый вход изменяется, а все остальное фиксируется.

С IN- это просто инвертирующий усилитель. С IN + и ФСУ провел фиксированное опорное значение, о котором для усиления удерживается фиксированным. Коэффициент усиления равен -R3 / R1, что равно -1, если оба резистора равны.

Со входа opamp + это просто усилитель с положительным усилением (R3 + R1) / R1. Если оба резистора равны, то есть 2. Чтобы соответствовать величине усиления от IN-, сигнал IN + должен быть ослаблен на 2. Это то, что делают R2 и R4. С OFS на земле, IN + делится на 2, прежде чем быть представлен на вход opamp +. Затем это усиливается на 2, для чистого усиления от IN + до OUT +1.

Обратите внимание, что OFS и IN + работают одинаково. В приведенном выше уравнении я показал OFS как добавление смещения к выходному сигналу, а IN + как положительный дифференциальный вход, но математически они оба эквивалентны.

Олин Латроп
источник
1
Это еще один способ смещения выхода 3-го операционного усилителя, но это не дает мне дифференциального выхода, как было задано в вопросе. Или я неправильно понял ваш ответ?
ultimA
@ult: я думал, что вы хотели разницу между двумя входами, а также произвольное смещение. По крайней мере, я так и ответил.
Олин Латроп
Нет, это был не вопрос. Если бы я хотел, чтобы вы ответили, я мог бы самостоятельно принять решение, написанное в ОП, или просто использовать однокристальный усилитель с выводом смещения. В ОП было ясно, что мне нужны дифференциальные выходы.
ultimA
@ult: односторонний выход с управляемым смещением совпадает с дифференциальным выходом. Вы не можете просто иметь дифференциальный выход без ссылки вообще, так как общая часть будет неопределенной. Вы можете думать о выходных данных как о - OFS. Вы ведете OFS к тому, что вы хотите, и вы видите разницу входных данных относительно этого. Не уверен, что вы действительно хотите, если это не правильный ответ.
Олин Латроп
Несимметричный выход с управляемым смещением сильно отличается от дифференциального выхода. В первом случае у вас есть информация о разнице в одном сигнале, а постоянный (DC) сигнал смещения указывает, насколько он находится над землей. Дифференциальный сигнал несет разность в двух отдельных сигналах, которые симметрично колеблются вокруг общего режима (смещение), и отдельный сигнал смещения отсутствует. Вы должны иметь основание дополнительно в обоих случаях.
ultimA
1

Вы уже отметили, что схема операционного усилителя справа - просто разностный усилитель, который удаляет сигнал CM. Полярность произвольно назначается так, чтобы инвертирующий вход был подключен сверху, а не инвертирующий - снизу.

Вы можете добиться того, что вы хотите, дублируя весь разностный усилитель (включая R2s и R3s), но поменяйте полярность на второй цепи.

Вы правы, что оба выхода могут быть смещены путем замены заземляющих соединений чистым постоянным напряжением.

Супа Нова
источник
Он уже обратился к этому и не хочет этого делать, так как для этого требуется 4 дополнительных прецизионных резиста [rs.
Neil_UK
Неплохое решение ИМХО, но мне нужно больше времени для изучения доступных компонентов. Идея заключается в том, что да, теперь мне нужно согласовать резисторы между двумя усилителями, но, с другой стороны, я могу использовать одночиповые усилители, поэтому в общем случае может потребоваться меньшее количество резисторов.
ultimA
Просто чтобы уточнить, этот ответ от Supa Nova тоже хороший! Это сработает и решит проблемы в ОП. Но я могу принять только один ответ, и, поскольку решение Нейла кажется более рентабельным, я склонен принять его ответ. Сожалею.
ultimA