Penguat diferensial dengan output diferensial dan pergeseran mode umum


8

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:

Amplifier instrumentasi 3-opamp dasar

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:


Apakah Anda memiliki alasan khusus untuk membuat ini alih-alih membelinya? Karena amplifier diferensial sepenuhnya tersedia dari rak untuk melakukan apa yang Anda inginkan.
The Photon

Saya belum menemukan FDA yang cocok dengan spesifikasi yang saya butuhkan. Saya terutama dibatasi oleh gangguan tegangan input pada pita 0,1-10Hz, konsumsi daya, dan harga. Sebenarnya saya belum menemukan FDA tunggal dengan spesifikasi kebisingan yang diperlukan (di bawah 100nVp-p), sedangkan ada banyak adaquate di antara opamps umum dan instrumentasi.
ultimA

Bisakah Anda mengklarifikasi apa yang Anda inginkan dari output amplifier menggunakan persamaan. Anda telah menulis banyak kata, dan beberapa dari kita salah paham, baik Olin dan saya salah dalam berbagai cara. Silakan gunakan sesuatu yang tidak ambigu seperti aljabar, maka kita akan tahu apa yang ingin kita capai.
Neil_UK

Saya cukup yakin bahwa Anda berdua Neil_UK dan Supa Nova mengerti saya dengan benar, jawaban Anda menunjukkan itu. Hanya Olin yang tidak mendapatkannya, tetapi tidak mengejutkan jika ia mengklaim pensinyalan diferensial sama dengan sinyal AC + offset. Satu-satunya hal yang saya perlu jelaskan kepada Anda adalah bahwa lebih penting bagi saya untuk mencocokkan TCR resistor daripada nilai absolutnya. Itu hanya beberapa info tambahan, bukan pusat. Mendidih ke inti, pertanyaan saya adalah apa sirkuit lain mereka selain "solusi" saya di OP untuk mendapatkan output diferensial dengan mode umum yang dapat disesuaikan. Anda menyediakan satu yang bekerja :)
ultimA

Jawaban:


2

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

skema

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!


Saya mensimulasikan rangkaian, dan itu berhasil, ide bagus! Masalah "" adalah bahwa ia kehilangan keuntungan utama di belakang tahap input in-amp. Gagasan bahwa Anda dapat mengatur penguatan menggunakan resistor tunggal, tidak perlu khawatir tentang mencocokkan dua contoh Rgain yang berbeda. Sekarang R4 dan R6 perlu dicocokkan juga di sirkuit Anda. EDIT: Ini saya pikir masih salah satu jawaban terbaik sekalipun, bahkan mempertimbangkan biaya.
ultimA

Dalam 2 menit terakhir, saya baru saja mensimulasikannya. Ini juga bekerja untuk saya. Ada sesuatu tentang Rg mengambang di dalam-amp konvensional yang agak bagus, yang ini kehilangan.
Neil_UK

@ultimA periksa edit baru saya, dan perbarui simulasi Anda, resistor yang cocok tidak diperlukan pada tahap input! Jangan ragu untuk menerima jawabannya jika Anda menyukainya!
Neil_UK

Jangan khawatir, saya tidak lupa untuk menerima jawaban, hanya saja pertanyaannya belum sampai setengah hari, dan saya biasanya menunggu sedikit untuk memberi waktu kepada mereka untuk merespons juga.
ultimA

Maaf saya tidak jelas tentang pencocokan resistor, silakan lihat edit di akhir OP. Jika Anda mempertimbangkan hal ini, maka sirkuit yang diedit Anda tidak benar-benar berbeda dari versi pertama sejauh menyangkut pencocokan TCR. Masih jawaban yang sangat berguna.
ultimA

1

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.


1
Itu adalah cara lain untuk membiasakan keluaran opamp ke-3, tetapi itu tidak memberi saya keluaran diferensial seperti yang ditanyakan dalam pertanyaan. Atau apakah saya salah mengerti jawaban Anda?
ultimA

@ult: Saya pikir Anda ingin perbedaan antara dua input, ditambah offset yang sewenang-wenang. Setidaknya itulah yang saya jawab.
Olin Lathrop

Tidak, itu bukan pertanyaannya. Jika saya menginginkan apa yang Anda jawab, saya dapat mengambil sendiri solusi yang ditulis dalam OP, atau cukup gunakan satu-chip in-amp dengan pin bias. Ini jelas dalam OP yang saya inginkan keluaran diferensial.
ultimA

@ult: Output ujung tunggal dengan offset yang dapat dikontrol sama dengan output diferensial. Anda tidak dapat hanya memiliki keluaran diferensial tanpa referensi sama sekali, karena bagian umum akan tidak terdefinisi. Anda dapat menganggap output sebagai OUT - OFS. Anda mengarahkan OFS ke apa yang Anda inginkan, dan keluar adalah perbedaan input relatif terhadap itu. Tidak yakin apa yang sebenarnya Anda inginkan jika itu bukan jawaban yang valid.
Olin Lathrop

Output tunggal dengan offset yang dapat dikontrol sangat berbeda dari output diferensial. Dalam kasus pertama, Anda memiliki informasi perbedaan dalam satu sinyal, dan sinyal offset konstan (DC) menentukan seberapa banyak informasi tersebut berada di atas tanah. Sinyal diferensial membawa perbedaan dalam dua sinyal terpisah yang berayun secara simetris di sekitar mode umum (offset), dan tidak ada sinyal offset terpisah. Anda harus memiliki tanah sebagai tambahan dalam KEDUA kasus.
ultimA

1

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.


Dia sudah membahas hal ini, dan tidak ingin melakukannya karena membutuhkan 4 presisi ekstra yang cocok.
Neil_UK

Bukan solusi IMHO yang buruk, tetapi saya perlu lebih banyak waktu untuk meneliti komponen yang tersedia. Idenya adalah bahwa ya saya sekarang harus mencocokkan resistor di antara dua di-amp, tetapi di sisi lain saya bisa dengan chip tunggal di-amp, jadi orang mungkin membutuhkan lebih sedikit resistor secara total.
ultimA

Sekedar klarifikasi, jawaban dari Supa Nova ini juga bagus! Ini akan berhasil dan mengatasi masalah di OP. Tetapi saya hanya dapat menerima satu jawaban, dan karena solusi Neil tampaknya lebih hemat biaya, saya cenderung menerima jawabannya. Maaf.
ultimA
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.