Differenzverstärker mit Differenzausgang und Gleichtaktverschiebung

Zusammenfassung: Ich möchte einen Differenzverstärker mit Differenzausgang bauen, aber den Gleichtakt auf einen anderen Pegel als das Original verschieben.

Mein aktuelles Wissen bringt mich so weit: Nehmen Sie den traditionellen 3-Opamp-Instrumentenverstärker wie den auf diesem Bild:

Wenn Sie nun die beiden linken Operationsverstärker ohne den dritten nehmen, geben Ihnen diese bereits fast das, was ich will, dh verstärken Sie den Differenzeingang und geben Sie einen Differentialausgang. Das einzige Problem ist, dass der Gleichtakt der Eingabe erhalten bleibt. Wenn Sie den dritten Operationsverstärker rechts hinzufügen, können Sie den CM leicht durch Vorspannung seiner Masse verschieben (genau das tun die meisten Single-Chip-Instrumentenverstärker, wenn sie einen Vbias-Pin bereitstellen), aber der Ausgang der Schaltung ist jetzt einfach -end.

Was ist der beste Weg, um sowohl den Differenzausgang als auch die CM-Verschiebung beizubehalten? Eine Möglichkeit besteht darin, nur die beiden linken Operationsverstärker des oben genannten Instrumentenverstärkers zu verwenden und den Boden jedes einzelnen separat zu verschieben.

Eine andere Option, die mir in den Sinn kommt, besteht darin, nur die beiden linken Operationsverstärker erneut zu verwenden und (anhand eines Beispiels, wenn ich den CM halbieren möchte) die doppelte Verstärkung nach Bedarf zu verwenden und dann jeden Ausgang durch 2 zu teilen.

Leider erfordern beide Lösungen mehr (in der Menge) hochangepasste Widerstände mit niedrigem TCR (ich versuche, die Temperaturdrift der Schaltung sehr niedrig zu halten), und diese sind blutig teuer.

Wie würden Sie dieses Problem angehen? Vielleicht ist ein Instrumentenverstärker der falsche Start? Ist eine meiner oben genannten Lösungen die "Standard" -Methode, oder gibt es bessere Schaltungen für diesen Zweck?

EDIT: Klarstellung zu passenden Widerständen: Ich meine, sie in TCR abzugleichen, weil ich die Temperaturdrift minimieren möchte. Dies bedeutet, dass ich Widerstände im TCR anpassen muss, nicht im absoluten Wert, damit sie ihre ursprünglichen Verhältnisse beibehalten, wenn sie aufgrund der Temperatur driften. Eigentlich bin ich aus zwei Gründen nicht daran interessiert, absolute Werte abzugleichen (fast, ich brauche noch ein wenig Abgleich, um CMRR aufrechtzuerhalten): 1) Eine Nichtübereinstimmung des absoluten Werts führt zu Offset- und Verstärkungsfehlern, die beide leicht zu kalibrieren sind System Level. Das Messen und Korrigieren der Temperaturdrift ist viel schwieriger. 2) Die meisten Offset-Fehler sind ohnehin ohne Kalibrierung nicht vorhanden, da dies ein Frontend für einen Sensor darstellt und Offset-Fehler aufgrund der Wechselstromerregung des Sensors aufgehoben werden. Wie auch immer:

— ultimA
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Haben Sie einen bestimmten Grund, dies zu bauen, anstatt es zu kaufen? Weil volldifferenzielle Verstärker ab Lager erhältlich sind, um das zu tun, was Sie wollen.

— Das Photon

Ich habe keine geeignete FDA mit den Spezifikationen gefunden, die ich benötige. Ich bin hauptsächlich durch Eingangsspannungsrauschen im 0,1-10-Hz-Band, Stromverbrauch und Preis eingeschränkt. Tatsächlich habe ich keine einzige FDA mit den erforderlichen Geräuschspezifikationen (unter 100 nVp-p) gefunden, wohingegen es unter allgemeinen und Instrumenten-Opamps viele adäquate gibt.

— UltimA

Könnten Sie bitte anhand von Gleichungen klären, was Sie vom Verstärkerausgang erwarten? Sie haben viele Wörter geschrieben, und einige von uns haben sie missverstanden. Sowohl Olin als auch ich haben es auf unterschiedliche Weise falsch verstanden. Bitte verwenden Sie etwas Eindeutiges wie Algebra, dann wissen wir, was wir erreichen wollen.

— Neil_UK

Ich bin mir ziemlich sicher, dass sowohl Sie Neil_UK als auch Supa Nova mich richtig verstanden haben. Ihre Antworten zeigen dies. Nur Olin hat es nicht verstanden, aber nicht überraschend, wenn er behauptet, dass die Differenzsignalisierung mit einem Wechselstromsignal + Offset identisch ist. Das einzige, was ich Ihnen klarstellen musste, ist, dass es für mich wichtiger ist, Widerstands-TCRs anzupassen als ihren absoluten Wert. Das sind jedoch nur einige zusätzliche Informationen, nicht zentral. Auf den Kern reduziert, war meine Frage, welche anderen Schaltkreise sie zusätzlich zu meinen "Lösungen" im OP sind, um Differenzausgänge mit einstellbarem Gleichtakt zu erhalten. Sie haben eine bereitgestellt, die funktioniert :)

— UltimA

Antworten:

Dies macht das, was das OP wollte, einen Differenzausgang um einen definierten Ausgangs-Gleichtakt ohne mehr und tatsächlich weniger Präzisionswiderstände.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Wenn die Gleichtaktspannung nicht mit dem Eingang bei Vcm übereinstimmt, treibt OA3 eine Eingangsspannung in beide invertierenden Eingänge mit derselben Verstärkung an, wodurch sich beide Ausgangsspannungen um denselben Betrag in dieselbe Richtung bewegen und die vorhandene Differenzverstärkung beibehalten wird , aber den Gleichtakt verschieben, bis kein Fehler mehr vorliegt.

Stabilität kann ein Problem sein, da eine Rückkopplungsschleife zwei Ampere enthält. Ich vermute, es wäre leicht zu stabilisieren, wenn die OA3-Bandbreite überlastet und / oder OA1 / 2 mit einem kleinen C über R3 und R5 ein wenig beschleunigt wird, was unter dem Gesichtspunkt des unterschiedlichen Verhaltens wünschenswert oder nicht wünschenswert sein kann.

Beachten Sie, dass die einzigen Widerstände, die angepasst werden müssen, R1 und R2 sind, wodurch die beiden Ausgangsanschlüsse so eingestellt werden, dass sie gleichmäßig um Vcm angeordnet sind. Die Differenzverstärkung beträgt nur (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6). Es werden keine angepassten Widerstände benötigt. Dies können vier Widerstände mit beliebigen Werten sein, sofern natürlich die richtige Verstärkung erhalten wird. Ich unterstreiche diese Tatsache, indem ich 4 nicht übereinstimmende Werte in das Diagramm für diese Widerstände setze. Die Diff-Verstärkung beträgt 7 (21k / 7k), wobei die Ausgänge aufgrund von R1 == R2 und OA3 genau um Vcm angeordnet sind. Versuch es!

— Neil_UK
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Ich habe die Schaltung simuliert und es funktioniert, schöne Idee! Ein "Problem" ist jedoch, dass es den Hauptvorteil hinter den Eingangsstufen des Verstärkers verliert. Die Idee, dass Sie die Verstärkung mit einem einzigen Widerstand einstellen können, ohne sich darum kümmern zu müssen, zwei verschiedene Instanzen von Rgain abzugleichen. Jetzt müssen auch R4 und R6 in Ihrer Schaltung übereinstimmen. EDIT: Dies ist meiner Meinung nach immer noch eine der besten Antworten, selbst wenn man die Kosten berücksichtigt.

— UltimA

In den letzten 2 Minuten habe ich es gerade simuliert. Das funktioniert auch bei mir. Es gibt etwas an dem schwebenden Rg im konventionellen In-Amp, das ziemlich schön ist, das dies verliert.

— Neil_UK

@ultimA Schau dir meine neue Bearbeitung an und aktualisiere deine Simulation, angepasste Widerstände, die in der Eingangsstufe nicht benötigt werden! Nehmen Sie die Antwort gerne an, wenn Sie sie mögen!

— Neil_UK

Keine Sorge, ich habe nicht vergessen, eine Antwort zu akzeptieren. Es ist nur so, dass die Frage noch nicht einmal einen halben Tag gestellt wurde, und ich warte im Allgemeinen ein wenig, um den anderen Zeit zu geben, auch zu antworten.

— UltimA

Es tut mir leid, dass ich bei der Widerstandsanpassung nicht klar war. Siehe Bearbeiten am Ende des OP. Wenn Sie dies berücksichtigen, unterscheidet sich Ihre bearbeitete Schaltung in Bezug auf die TCR-Anpassung nicht wirklich von der ersten Version. Trotzdem eine sehr nützliche Antwort.

— UltimA

Sie haben bereits das, was Sie wollen, nur dass Sie den Pegelverschiebungseingang geerdet haben, sodass der Ausgang auf Masse bezogen ist. In Ihrem Schaltplan wird die Spannung am rechten Ende von R3 zur Differenz der beiden Eingangssignale addiert.

Es ist einfacher zu verstehen, wenn man sich einen einfacheren Diff-Verstärker ansieht:

Das macht

OUT = (IN + - IN1) + OFS

Um dies zu sehen, überlegen Sie, was passiert, wenn jeder Eingang variiert wird, während alles andere festgehalten wird.

Von IN- ist dies nur ein einfacher invertierender Verstärker. Wenn IN + und OFS festgehalten werden, wird der zu verstärkende Referenzwert festgehalten. Die Verstärkung beträgt nur -R3 / R1, was -1 ist, wenn beide Widerstände gleich sind.

Vom Opamp + -Eingang ist dies nur ein einfacher Verstärker mit positiver Verstärkung (R3 + R1) / R1. Wenn beide Widerstände gleich sind, dh 2. Um die Größe der Verstärkung von IN- anzupassen, muss das IN + -Signal daher um 2 gedämpft werden. Genau das tun R2 und R4. Wenn OFS am Boden liegt, wird IN + durch 2 geteilt, bevor es dem Opamp + -Eingang präsentiert wird. Dies wird dann um 2 für einen Nettogewinn von IN + nach OUT von +1 verstärkt.

Beachten Sie, dass OFS und IN + gleichwertig funktionieren. In der obigen Gleichung habe ich gezeigt, dass OFS den Offset zum Ausgangssignal addiert und IN + der positive Differenzeingang ist, aber mathematisch sind beide äquivalent.

— Olin Lathrop
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Das ist eine andere Möglichkeit, den Ausgang des 3. Operationsverstärkers vorzuspannen, aber das gibt mir nicht den in der Frage gestellten Differenzausgang. Oder habe ich deine Antwort falsch verstanden?

— UltimA

@ult: Ich dachte du wolltest den Unterschied zwischen den beiden Eingängen plus einen beliebigen Versatz. Zumindest habe ich darauf geantwortet.

— Olin Lathrop

Nein, das war nicht die Frage. Wenn ich wollte, was Sie geantwortet haben, könnte ich die im OP geschriebene Lösung selbst übernehmen oder einfach einen Single-Chip-In-Amp mit einem Bias-Pin verwenden. Dies war im OP klar, dass ich Differenzausgänge will.

— UltimA

@ult: Ein Single-Ended-Ausgang mit steuerbarem Offset entspricht einem Differenzausgang. Sie können nicht einfach einen Differenzausgang ohne Referenz haben, da der gemeinsame Teil undefiniert wäre. Sie können sich die Ausgabe als OUT-OFS vorstellen. Sie fahren OFS zu dem, was Sie wollen, und heraus ist der Unterschied der Eingaben relativ dazu. Ich bin mir nicht sicher, was Sie wirklich wollen, wenn dies keine gültige Antwort ist.

— Olin Lathrop

Ein Single-Ended-Ausgang mit steuerbarem Offset unterscheidet sich stark von einem Differenzausgang. Im ersten Fall haben Sie die Differenzinformationen in einem einzelnen Signal, und ein konstantes (DC) Offset-Signal gibt an, wie weit es über der Erde liegt. Ein Differenzsignal trägt die Differenz in zwei getrennten Signalen, die symmetrisch um den Gleichtakt (den Versatz) schwingen, und es gibt kein getrenntes Versatzsignal. In BEIDEN Fällen müssen Sie zusätzlich einen Grund haben.

— UltimA

Sie haben bereits bemerkt, dass die Opamp-Schaltung rechts nur ein Differenzverstärker ist, der das CM-Signal entfernt. Die Polarität wird willkürlich zugewiesen, so dass der invertierende Eingang oben und nicht invertierend unten angeschlossen wird.

Sie können das erreichen, was Sie wollen, indem Sie den gesamten Differenzverstärker (einschließlich der R2s und R3s) duplizieren, aber die Polarität auf der zweiten Schaltung umkehren.

Sie haben Recht, dass beide Ausgänge vorgespannt werden können, indem Sie die Erdungsanschlüsse durch eine saubere Gleichspannung ersetzen.

— Supa Nova
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Er hat dies bereits angesprochen und möchte es nicht tun, da es 4 extra präzise angepasste Resists erfordert.

— Neil_UK

IMHO keine schlechte Lösung, aber ich brauche mehr Zeit, um verfügbare Komponenten zu recherchieren. Die Idee ist, dass ich jetzt ja Widerstände zwischen den beiden In-Ampere anpassen müsste, aber andererseits könnte ich Single-Chip-In-Ampere verwenden, so dass man möglicherweise insgesamt weniger Widerstände benötigt.

— UltimA

Nur zur Klarstellung, diese Antwort von Supa Nova ist auch gut! Es würde funktionieren und die Probleme im OP angehen. Aber ich kann nur eine Antwort akzeptieren, und da Neils Lösung kostengünstiger erscheint, neige ich dazu, seine Antwort zu akzeptieren. Es tut uns leid.

— UltimA