Amplificatore differenziale con uscita differenziale e spostamento in modalità comune

Riepilogo: Vorrei costruire un amplificatore differenziale con uscita differenziale, ma spostare la modalità comune su un livello diverso dall'originale.

Le mie attuali conoscenze mi portano così lontano: prendi il tradizionale amplificatore di strumentazione a 3 opamp, come quello in questa immagine:

Ora, se prendi i due opamp di sinistra senza il terzo, quelli ti danno già quasi quello che voglio, cioè amplificare l'ingresso differenziale e dare un'uscita differenziale. L'unico problema è che conserva la modalità comune dell'input. Aggiungendo il terzo opamp sulla destra, è facile spostare il CM orientando la sua massa (in effetti questo è ciò che fanno la maggior parte degli amplificatori a singolo chip quando forniscono un pin Vbias), ma l'uscita del circuito ora è singola -conclusa.

Quindi qual è il modo migliore per mantenere sia l'uscita differenziale sia il CM-shift? Un modo è, suppongo, di prendere solo i due opamp di sinistra dell'amplificatore di strumentazione sopra e spostare il terreno di ciascuno separatamente.

Un'altra opzione che mi viene in mente è quella di riprendere solo i due opamp di sinistra e (usando un esempio quando voglio dimezzare il CM) usare il doppio del guadagno secondo necessità, quindi dividere ogni output per 2.

Sfortunatamente entrambe queste soluzioni richiedono più resistori (in quantità) altamente abbinati con basso TCR (sto cercando di mantenere la deriva della temperatura del circuito molto bassa), e quelli sono dannatamente costosi.

Quindi come risolveresti questo problema? Forse prendere un amplificatore per strumentazione è l'inizio sbagliato? Una delle mie soluzioni di cui sopra è il modo "standard" di fare questo, o ci sono circuiti migliori per questo scopo?

EDIT: Chiarimento sui corrispondenti resistori: ciò che intendo è abbinarli in TCR, perché sto mirando a minimizzare la deriva della temperatura. Ciò significa che devo abbinare i resistori in TCR, non in valore assoluto, in modo che quando si spostano a causa della temperatura, manterranno i loro rapporti originali. In realtà non sono interessato a far corrispondere i valori assoluti (quasi, ho ancora bisogno di un po 'di abbinamento per mantenere il CMRR), per due motivi: 1) una mancata corrispondenza del valore assoluto provoca errori di offset e guadagno, entrambi facili da calibrare su livello di sistema. Misurare e correggere la deriva della temperatura è molto più difficile. 2) La maggior parte degli errori di offset sarà comunque inesistente senza nemmeno calibrare, poiché si tratterà di un frontend per un sensore e gli errori di offset verranno annullati a causa dell'eccitazione CA del sensore. Comunque:

Questo fa quello che voleva l'OP, un'uscita differenziale attorno a una modalità comune di uscita definita, senza più resistori di precisione e in effetti meno.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Se la tensione di modo comune non corrisponde all'ingresso su Vcm, allora OA3 guida una tensione di ingresso in entrambi gli ingressi di inversione, con lo stesso guadagno, che farà spostare entrambe le tensioni di uscita nella stessa direzione nella stessa direzione, mantenendo il guadagno differenziale esistente , ma spostando la modalità comune fino a quando non si verificano errori.

La stabilità potrebbe essere un problema, poiché ci sono due amplificatori in un circuito di feedback. Ho il sospetto che sarebbe facile stabilizzarsi ostruendo la larghezza di banda OA3 e / o accelerando un po 'OA1 / 2 con una piccola C tra R3 e R5, che potrebbe essere desiderabile o meno dal punto di vista del comportamento differenziale.

Si noti che gli unici resistori che devono essere accoppiati sono R1 e R2, che impostano i due terminali di uscita in modo che siano disposti equamente attorno a Vcm. Il guadagno differenziale è solo (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), non ha bisogno di resistori abbinati, questi possono essere quattro resistori di valore arbitrario, soggetto a ottenere ovviamente il guadagno corretto. Sottolineo questo fatto inserendo 4 valori senza eguali nel diagramma per quei resistori. Il guadagno diff è 7 (21k / 7k), con le uscite disposte esattamente attorno a Vcm a causa di R1 == R2 e OA3. Provalo!

Hai già quello che vuoi, solo che hai messo a terra l'ingresso di spostamento di livello in modo che l'uscita faccia riferimento a terra. Nel tuo schema, la tensione all'estremità destra di R3 verrà aggiunta alla differenza dei due segnali di ingresso.

È più facile da capire guardando un amplificatore diff più semplice:

Questo fa

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Per vedere questo, considera cosa succede quando ogni input viene variato con tutto il resto tenuto fisso.

Da IN-, questo è solo un semplice amplificatore a inversione. Con IN + e OFS mantenuti fissi, il valore di riferimento su cui amplificare viene mantenuto fisso. Il guadagno è solo -R3 / R1, che è -1 se entrambi i resistori sono uguali.

Dall'ingresso opamp +, questo è solo un semplice amplificatore con guadagno positivo (R3 + R1) / R1. Con entrambi i resistori uguali, ovvero 2. Per far corrispondere l'entità del guadagno da IN-, il segnale IN + deve quindi essere attenuato di 2. Ecco cosa fanno R2 e R4. Con OFS a terra, IN + viene diviso per 2 prima di essere presentato all'ingresso opamp +. Ciò viene quindi amplificato di 2, per un guadagno netto da IN + a OUT di +1.

Si noti che OFS e IN + funzionano in modo equivalente. Nell'equazione sopra, ho mostrato OFS come aggiunta dell'offset al segnale di uscita e IN + essendo l'ingresso differenziale positivo, ma matematicamente sono entrambi equivalenti.

Hai già notato che il circuito opamp sulla destra è solo un amplificatore di differenza che rimuove il segnale CM. La polarità viene assegnata arbitrariamente in modo che l'ingresso invertente sia collegato in alto e non invertente in basso.

È possibile ottenere ciò che si desidera duplicando l'intero amplificatore di differenza (compresi R2 e R3) ma invertendo la polarità sul secondo circuito.

È corretto affermare che entrambe le uscite possono essere polarizzate sostituendo i collegamenti di terra con una tensione CC pulita.