Mengapa dua tahap digunakan untuk amplifier instrumentasi?

Ketika kita memiliki penguat instrumentasi dua tahap, seperti berikut ini.

Mengapa kita membutuhkan tahap pertama dari dua Penguat Operasional? Tidak bisakah kita memasukkan V1 dan V2 ke penguat diferensial?

Desain 3 op-amp memiliki tiga keunggulan utama dibandingkan dengan penguat diferensial op-amp tunggal.

1. Impedansi input jauh lebih tinggi, karena input drive langsung ke input op-amp daripada menjadi pembagi resistif.
2. Gain dapat diatur dengan mengubah resistor tunggal, sehingga bagian-bagian penting dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam satu chip (memaksimalkan simetri) dengan resistor eksternal tunggal untuk mengatur penguatan.
3. Dalam konfigurasi gain tinggi, penolakan mode umum jauh lebih baik karena penguatan tahap pertama secara efektif melipatgandakan penolakan mode umum dari tahap kedua.

Perhatikan bahwa secara umum lebih baik menggunakan chip amplifier instrumentasi tertentu daripada mencoba membangunnya sendiri dari bagian yang terpisah. Memiliki semuanya dalam satu chip meningkatkan simetri dan karenanya penolakan mode umum.

Salah satu manfaat terbesar dari INA 3 op amp adalah impedansi input yang sama dan tinggi. Impedansi masukan pin non-pembalik op amp dapat mencapai kisaran . Saya akan meninggalkannya sebagai latihan untuk Anda, tetapi jika Anda melihat perbedaan rangkaian penguat, impedansi input dari input negatif bervariasi dengan input positif.$T\Omega$

Selain masalah impedansi input, penguatan dalam dua tahap menawarkan respons frekuensi yang lebih baik.

Ada adalah satu tahap, impedansi masukan yang tinggi, penguat diferensial.

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Tanpa Rg, ini memiliki gain (f + 1). Rg dapat digunakan untuk meningkatkan gain.

Namun memiliki kompromi kinerja atas versi 3 amplifier.

a) Memiliki gain loop terbuka yang lebih sedikit, sehingga gain yang sangat tinggi tidak stabil
b) Kedua jalur sinyal memiliki pergeseran fasa yang berbeda, sehingga penolakan mode umum hanya bekerja pada frekuensi rendah. Anda dapat meningkatkan ini sedikit dengan kapasitor yang ditempatkan secara strategis meskipun
c) Pada gain rendah, kisaran mode umum dibatasi oleh ruang kepala catu daya
d) Lebih rumit untuk menggambar dengan benar daripada versi 3 amplifier. Baru-baru ini saya membuat mnemonic untuk mendapatkan resistor di tempat yang tepat dari memori.

Tetapi, jika Anda hanya memiliki 2 amplifier yang tersisa, maka itu berfungsi. Itu memungkinkan Anda mengontrol gain dengan resistor variabel tunggal, sama seperti versi 3 amplifier, tapi sayangnya, hanya versi 3 amp, resistor ini mengambang.

Jawaban di atas dapat diandalkan, tetapi saya ingin menambahkan sesuatu. Pertimbangkan penguat diferensial:

Ketika seseorang ingin memvariasikan penguatan amplifier (misalnya untuk mengeksploitasi resolusi maksimum ADC), 2 resistor dengan nilai K⋅R harus disesuaikan secara serempak, melalui resistor yang dapat disetel secara elektromekanis sehingga sedikit kehabisan atau pemakaian resistor ini menghasilkan ketidakseimbangan. antara nilai dua resistor ini maka menghasilkan faktor mode umum yang tidak diabaikan. Biasanya mode umum pada tahap sebelumnya (jembatan Wheatstone misalnya) jauh lebih besar daripada mode diferensial maka menghasilkan pengukuran yang salah.