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