Warum werden für einen Instrumentenverstärker zwei Stufen verwendet?

Wenn wir einen zweistufigen Instrumentenverstärker haben, wie den folgenden.

Warum brauchen wir die erste Stufe der beiden Operationsverstärker? Könnten wir nicht einfach V1 und V2 in den Differenzverstärker eingeben?

Das 3-Operationsverstärker-Design bietet drei Hauptvorteile gegenüber einem einzelnen Operationsverstärker-Differenzverstärker.

1. Die Eingangsimpedanz ist viel höher, da die Eingänge direkt in einen Operationsverstärkereingang und nicht in einen Widerstandsteiler ansteuern.
2. Die Verstärkung kann durch Ändern eines einzelnen Widerstands eingestellt werden, sodass die kritischen Teile einfach mit einem einzelnen externen Widerstand auf einen Chip integriert werden können (Maximierung der Symmetrie), um die Verstärkung einzustellen.
3. In Konfigurationen mit hoher Verstärkung ist die Gleichtaktunterdrückung viel besser, da die Verstärkung der ersten Stufe die Gleichtaktunterdrückung der zweiten Stufe effektiv multipliziert.

Beachten Sie, dass es im Allgemeinen besser ist, einen bestimmten Instrumentenverstärkerchip zu verwenden, als zu versuchen, ihn selbst aus separaten Teilen zusammenzusetzen. Alles auf einem Chip zu haben, verbessert die Symmetrie und damit die Gleichtaktunterdrückung.

$T\Omega$

Zusätzlich zu den Bedenken hinsichtlich der Eingangsimpedanz bietet die Verstärkung in zwei Stufen einen besseren Frequenzgang.

Es gibt einen einstufigen Differenzverstärker mit hoher Eingangsimpedanz.

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

Ohne Rg hat dies eine Verstärkung von (f + 1). Rg kann verwendet werden, um die Verstärkung zu erhöhen.

Es hat jedoch Leistungseinbußen gegenüber der 3-Verstärker-Version.

a) Es hat eine geringere Verstärkung im offenen Regelkreis, so dass sehr hohe Verstärkungen nicht so stabil sind.
b) Die beiden Signalpfade haben unterschiedliche Phasenverschiebungen, sodass die Gleichtaktunterdrückung nur bei niedrigen Frequenzen funktioniert. Sie können dies mit einem strategisch platzierten Kondensator ein wenig verbessern.
C) Bei geringen Verstärkungen wird der Gleichtaktbereich durch den Headroom des Netzteils begrenzt.
D) Das korrekte Zeichnen ist komplizierter als bei der Version mit 3 Verstärkern. Erst kürzlich habe ich eine Mnemonik erstellt, um die Widerstände aus dem Speicher an die richtigen Stellen zu bringen.

Wenn Sie jedoch nur noch 2 Verstärker haben, funktioniert dies. Sie können die Verstärkung mit einem einzigen variablen Widerstand steuern, genau wie bei der Version mit 3 Verstärkern. Leider ist dieser Widerstand nur bei der Version mit 3 Verstärkern schwebend.

Die obigen Antworten sind zuverlässig, aber ich möchte etwas hinzufügen. Betrachten Sie den Differenzverstärker:

Wenn eine Person die Verstärkung des Verstärkers variieren möchte (um beispielsweise die maximale Auflösung des ADC auszunutzen), müssen die 2 Widerstände mit dem Wert K⋅R über elektromechanisch einstellbare Widerstände perfekt synchron eingestellt werden, damit ein leichter Schlag oder Verschleiß dieser Widerstände zu einem Ungleichgewicht führt zwischen dem Wert dieser beiden Widerstände ergibt sich dann, dass der Gleichtaktfaktor nicht vernachlässigt wird. Normalerweise ist der Gleichtaktmodus in der vorherigen Stufe (z. B. Wheatstone-Brücke) viel größer als der Differenzialmodus, was zu falschen Messungen führt.