Дифференциальный усилитель с дифференциальным выходом и синфазным переключением

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:

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:

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

^{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!

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.

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.