Что означает синфазное напряжение в инструментальном усилителе?

Я читал текст об инструментальных усилителях. Я не мог найти никакого простого объяснения, что действительно синфазное напряжение означает и его важность.

Синфазное напряжение - это смещение напряжения, которое является «общим» как для инвертирующего, так и для неинвертирующего (т. Е. «+» И «-») входов измерительного усилителя. Инструментальный усилитель настроен как разностный усилитель, поэтому он измеряет разницу между этими двумя входами и, таким образом, отклоняет любое напряжение, общее для этих двух. Другими словами, если у вас есть два сигнала v1 (t) и v2 (t) на двух входах:

v1 (t) = f1 (t) + Vcm (t)

v2 (t) = f2 (t) + Vcm (t)

то, что будет измерять измерительный усилитель:

vo (t) = v1 (t) - v2 (t) = (f1 (t) + Vcm (t)) - (f2 (t) + Vcm (t)) = f1 (t) - f2 (t)

Обратите внимание, что Vcm (t) (синфазное напряжение, которое появляется в обоих входных сигналах) отменяется. Также обратите внимание, что это не обязательно сигнал постоянного тока, но он может изменяться со временем.

Теперь, почему мы заботимся о синфазном напряжении при выборе разностного усилителя? Как говорили другие, есть две ключевые характеристики усилителя, которые необходимо учитывать: коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) и диапазон синфазного сигнала.

CMRR важен, потому что инструментальный усилитель не является идеальным усилителем разности. Усилитель с идеальной разностью подавляет 100% синфазного напряжения во входных сигналах и измеряет только разницу между двумя сигналами. В реальном инструментальном усилителе это не тот случай, и имеется измеряемая (хотя обычно очень и очень малая) величина синфазного напряжения на входе, которая поступает на выход.

Диапазон синфазного режима важен, потому что он ограничивает, насколько далеко от земли могут быть измеренные входные сигналы. Это предел, потому что обычно вы не можете измерить сигналы вне напряжений питания (часто называемых «рельсами») усилителя. Есть исключения из этого, но в целом напряжение каждого входного сигнала должно оставаться в пределах рельсов питания усилитель. Таким образом, если вы снабжаете свой усилитель шинами +/- 12 В, вы не сможете измерить разницу между двумя сигналами со смещением синфазного сигнала 15 В, даже если разница между этими двумя сигналами составляет всего 20 мВ. Например, если ваши два сигнала полностью постоянны и являются:

V1 = 15 + 0,010

V2 = 15 - 0,010

Vo = V1 - V2 = 0,020

Вы не сможете измерить их, если ваш инструментальный усилитель имеет синфазный диапазон +/- 12В.

Скажем, схема имеет два входа, $v_1(t)$ а также $v_2(t)$мы можем математически разложить это на синфазную и дифференциальную части , делая две схемы ниже эквивалентными:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Чтобы эти схемы были эквивалентны, нам нужно иметь

$V_{cm} = \frac{V_1+V_2}{2}$

$V_d = V_1 - V_2$,

И мы называем $V_{cm}$синфазное напряжение , и мы называем$V_d$дифференциальное напряжение.

Почему это важно?

Говоря об инструментальных усилителях, мы предпочитаем выражать входной сигнал в терминах синфазного и дифференциального сигналов, поскольку входные усилители имеют высокий коэффициент усиления для дифференциальных сигналов и в идеале не реагируют на синфазные сигналы.

Это

$V_{o-d} = A V_{i-d}$

где $V_{o-d}$ дифференциальный сигнал на выходе, $V_{i-d}$это дифференциальный сигнал на входе, а коэффициент усиления усилителя.

а также

$V_{o-cm} = V$

где V - некоторое напряжение, не связанное с входами.

синфазное напряжение - это не что иное, как смещение @, при котором сигнал diff проходит над общим эталоном, т.е. Таким образом, напряжение CM имеет значение с точки зрения работы операционного усилителя, но оно не оказывает никакого влияния на интерпретируемый сигнал diff на приемнике, поскольку приемник просто измеряет разницу между двумя сигналами.