Perché vengono utilizzati due stadi per un amplificatore di strumentazione?

Quando abbiamo un amplificatore di strumentazione a due stadi, come il seguente.

Perché abbiamo bisogno del primo stadio dei due amplificatori operazionali? Non potremmo semplicemente inserire V1 e V2 nell'amplificatore differenziale?

Il design a 3 amplificatori operazionali presenta tre vantaggi principali rispetto a un singolo amplificatore differenziale operazionale.

1. L'impedenza di ingresso è molto più elevata, poiché gli ingressi guidano direttamente in un ingresso op-amp piuttosto che in un divisore resistivo.
2. Il guadagno può essere impostato cambiando un singolo resistore, così le parti critiche possono essere facilmente integrate su un chip (massimizzando la simmetria) con un singolo resistore esterno per impostare il guadagno.
3. Nelle configurazioni ad alto guadagno il rifiuto del modo comune è molto migliore perché il guadagno del primo stadio moltiplica efficacemente il rifiuto del modo comune del secondo stadio.

Si noti che in generale è meglio utilizzare un chip amplificatore per strumentazione specifico piuttosto che cercare di costruirlo da parti separate. Avere tutto su un chip migliora la simmetria e quindi il rifiuto della modalità comune.

$T\Omega$

Oltre alle preoccupazioni sull'impedenza di ingresso, il guadagno in due fasi offre una migliore risposta in frequenza.

C'è un singolo stadio, elevata impedenza di ingresso, amplificatore differenziale.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Senza Rg, questo ha un guadagno di (f + 1). Rg può essere utilizzato per aumentare il guadagno.

Tuttavia presenta compromessi prestazionali rispetto alla versione a 3 amplificatori.

a) Ha meno guadagno ad anello aperto, quindi guadagni molto alti non sono così stabili
b) I due percorsi del segnale hanno uno spostamento di fase diverso, quindi il rifiuto della modalità comune funziona solo a basse frequenze. Puoi migliorarlo un po 'con un condensatore posizionato strategicamente anche se
c) A bassi guadagni, la gamma di modalità comune è limitata dall'headroom dell'alimentatore
d) È più complicato disegnare correttamente rispetto alla versione a 3 amplificatori. È solo di recente che ho creato un mnemonico per ottenere i resistori nei posti giusti dalla memoria.

Ma, se ti rimangono solo 2 amplificatori, allora funziona. Ti consente il controllo del guadagno con una singola resistenza variabile, proprio come la versione a 3 amplificatori, ma sfortunatamente, solo nella versione a 3 amp, questa resistenza è flottante.

Le risposte sopra sono affidabili, ma voglio aggiungere qualcosa. Considera l'amplificatore differenziale:

Quando una persona vuole variare il guadagno dell'amplificatore (ad esempio per sfruttare la massima risoluzione di ADC), le 2 resistenze con valore K⋅R devono essere regolate perfettamente in modo sincrono, tramite resistenze regolabili elettromeccanicamente, in modo che un leggero runout o usura di queste resistenze causino uno squilibrio tra il valore di questi due resistori risulta quindi non essere trascurato il fattore di modo comune. Di solito la modalità comune nella fase precedente (ad esempio il ponte di Wheatstone) è molto più grande della modalità differenziale, quindi si traducono in false misurazioni.