Cosa rappresenta la tensione di modo comune in un amplificatore di strumentazione?

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Stavo leggendo un testo sugli amplificatori di strumentazione. Non sono riuscito a trovare una spiegazione semplice del significato della tensione in modalità davvero comune e della sua importanza.

theory instrumentation-amplifier

— user16307
fonte

In un IA, i resistori devono essere accoppiati il più vicino possibile per evitare errori e la frase modalità comune si riferisce a quando appare un segnale comune a entrambi gli ingressi, essenzialmente quando sono collegati insieme. Ad esempio nel diagramma, sono rappresentate due fonti. L'uscita dal sensore è una sorgente, collegata ovviamente solo a 1 terminale dell'IA. La seconda sorgente, la sorgente di tensione "modo comune", rappresenta tutti i segnali che potrebbero essere comuni a entrambi gli ingressi.

— krb686,

Tratto da Wikipedia sul rapporto di reiezione della modalità comune : "Ad esempio, quando si misura la resistenza di una termocoppia in un ambiente rumoroso, il rumore ambientale appare come un offset su entrambi i cavi di ingresso, rendendolo un segnale di tensione in modalità comune. Il CMRR dello strumento di misura determina l'attenuazione applicata all'offset o al rumore. "

— krb686,

Ben comune perché il segnale è letteralmente comune (che appare su entrambi) gli ingressi. Per quanto riguarda la modalità non lo so, perché non si riferisce a una "modalità" in cui opera IA o qualcosa del genere. Dai un'occhiata a questa foto. m.eet.com/media/1138273/17407-figure_4.pdf Fa un buon lavoro nel spiegarlo. Esistono 3 tipi di segnali "modo comune". C'è eLC, un rumore AC comune. eGD, dove il terreno sta fluttuando, o Eos, in cui il driver è sfalsato di una certa tensione. Le IA richiedono un buon CMRR, o rapporto di reiezione di modo comune, per evitare errori associati a tali segnali comuni.

— krb686,

Sì, se osservi il diagramma, tutto ciò che sta facendo è amplificare la differenza dalle uscite del sensore. Quindi supponiamo che questo circuito si trovasse in un dispositivo mobile, dove non esiste una vera connessione di terra locale, quindi l'intero sensore e circuito potrebbero fluttuare sopra la terra reale, mostrato da Vcm.

— krb686,

Ma entrambi gli ingressi sono quindi esposti al rumore. Perché il rumore non viene cancellato? Perché c'è ancora quel fastidioso Vcm lì?

— user16307,

Risposte:

La tensione di modo comune è un offset di tensione "comune" agli ingressi sia invertenti che non invertenti (ovvero "+" e "-") dell'amplificatore di strumentazione. Un amplificatore di strumentazione è impostato come amplificatore di differenza, quindi misura la differenza tra questi due ingressi e quindi rifiuta qualsiasi tensione comune ai due. In altre parole, se hai due segnali v1 (t) e v2 (t) sui due ingressi:

v1 (t) = f1 (t) + Vcm (t)

v2 (t) = f2 (t) + Vcm (t)

ciò che l'amplificatore di strumentazione misurerà è:

vo (t) = v1 (t) - v2 (t) = (f1 (t) + Vcm (t)) - (f2 (t) + Vcm (t)) = f1 (t) - f2 (t)

Si noti che Vcm (t) (la tensione di modo comune che appare in entrambi i segnali di ingresso) viene annullata. Si noti inoltre che questo non deve essere un segnale CC, ma può variare nel tempo.

Ora perché ci preoccupiamo della tensione di modo comune quando si seleziona un amplificatore di differenza? Come altri hanno già detto, ci sono due caratteristiche chiave dell'amplificatore da considerare, il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) e l'intervallo di modo comune.

Il CMRR è importante perché l'amplificatore di strumentazione non è un amplificatore di differenza ideale. Un amplificatore a differenza ideale rifiuta il 100% della tensione di modo comune nei segnali di ingresso e misura solo la differenza tra i due segnali. In un amplificatore per strumenti del mondo reale, questo non è il caso, e c'è una quantità misurabile (sebbene tipicamente molto piccola) della tensione di modo comune sull'ingresso che entra nell'uscita.

L'intervallo del modo comune è importante perché limita la distanza dal suolo dei segnali di ingresso misurati. Questo è un limite perché in genere non è possibile misurare segnali al di fuori delle tensioni di alimentazione (spesso denominate "rotaie) dell'amplificatore. Vi sono eccezioni a questo, ma in generale la tensione di ciascun segnale di ingresso deve rimanere all'interno delle rotaie di alimentazione di l'amplificatore Quindi, se stai fornendo al tuo amplificatore binari di +/- 12V, potresti non essere in grado di misurare la differenza tra due segnali con un offset di modo comune di 15V, anche se la differenza tra i due segnali è solo 20mV. Ad esempio, se i tuoi due segnali sono completamente CC e sono:

V1 = 15 + 0,010

V2 = 15 - 0,010

Vo = V1 - V2 = 0.020

Non saresti in grado di misurarli se il tuo amplificatore di strumentazione avesse una gamma di modo comune di +/- 12V.

— Robert Ussery
fonte

Le tue definizioni corrispondono solo al solito modo di definire la tensione di modo comune se

f_{1} (t) = - f_{2} (t)

$f_1(t)=-f_2(t)$ .

— Il fotone il

@Robert Ussery che era la spiegazione più chiara fino ad ora che ho trovato

— user16307

Stiamo effettivamente parlando della rappresentazione dello spazio vettoriale. Stiamo cercando uno spazio bidimensionale definito dalle due tensioni di ingresso <v1, v2> . Passare a <vcm, f1, f2> significa usare una base a 3 elementi per rappresentare uno spazio a 2 dimensioni e quindi implica che il rango di <vcm, f1, f2> sia comunque 2 e che i suoi elementi non siano linearmente indipendenti (cioè ortogonali ) non piu. Davvero non una grande idea, essere ortogonali semplifica davvero molti calcoli. La base di @ThePhoton <vcm, vd> è invece quella che deve essere usata: è bidimensionale e linearmente indipendente

— carloc

Supponiamo che un circuito abbia due ingressi, $v_1(t)$ e $v_2(t)$ , possiamo scomporre matematicamente questo in una modalità comune e parte differenziale , rendendo equivalenti i due circuiti sottostanti:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Perché questi circuiti siano equivalenti, dobbiamo avere

$V_{cm} = \frac{V_1+V_2}{2}$

$V_d = V_1 - V_2$ .

E noi chiamiamo $V_{cm}$ la tensione di modo comune e chiamiamo $V_d$ la tensione differenziale .

Perché è importante?

Quando parliamo di amplificatori di strumentazione preferiamo esprimere l'ingresso in termini di modalità comune e differenziale perché gli in-amp sono progettati per avere un alto guadagno per segnali differenziali e idealmente nessuna risposta ai segnali in modalità comune.

Questo è

$V_{o-d} = A V_{i-d}$

dove $V_{o-d}$ è il segnale differenziale in uscita, $V_{i-d}$ è il segnale differenziale all'ingresso e A è il guadagno dell'amplificatore.

$V_{o-cm} = V$

dove V è una tensione non correlata agli ingressi.

— Il fotone
fonte

Qual è VD e VD / 2 nella tua figura?

— user16307,

VD è il segnale o la tensione differenziale. VD / 2 è la metà di VD.

— Il fotone

hai scritto "Quando parliamo di amplificatori di strumentazione preferiamo esprimere l'ingresso in termini di modalità comune e differenziale perché gli in-amp sono progettati per avere un elevato guadagno per i segnali differenziali e idealmente nessuna risposta ai segnali in modalità comune". ma non capisco. in realtà c'è un solo segnale alla volta per ogni ingresso. cosa vuoi dire che non hanno risposta a tensioni di cm?

— user16307

"nessuna risposta ai segnali di modo comune" significa che se gli ingressi + e - cambiano allo stesso modo, l'uscita non dovrebbe cambiare. Ad esempio, se entrambi gli ingressi aumentano di 10 mV, l'uscita non dovrebbe cambiare. Se entrambi gli ingressi scendono di 5 mV, l'uscita non dovrebbe cambiare

— The Photon

Potrei sbagliarmi, ma la tua risposta sembra errata e colpevole dello stesso presupposto che hai citato sotto la risposta superiore (che i componenti differenziali sono uguali e opposti). Le parti differenziali possono essere qualsiasi segnale alimentato da una tensione comune a entrambi gli ingressi e non necessariamente Vd / 2. Proprio come gli ingressi di -5 V su 15 V e 2 V su 15 V produrranno la stessa uscita degli ingressi di -4 V su 15 V e 3 V su 15 V . Quindi non capisco come siano validi il tuo secondo diagramma op-amp e la prima equazione. A meno che non ci occupiamo solo di un Vcm ipotizzato poiché il Vcm reale può essere determinato solo empiricamente (?).

— SoreDakeNoKoto

la tensione di modo comune non è altro che l'offset @ su cui il segnale diff sta viaggiando al di sopra di un riferimento comune, ovvero terra. Quindi, la tensione CM ha un significato dal punto di vista operativo dell'amplificatore operazionale, ma non ha alcun impatto sul segnale diff interpretato dal ricevitore perché il ricevitore misura solo la differenza tra i due segnali.

— Oshi
fonte

RE: "non ha alcun impatto". Questo è vero solo se il tuo ricevitore ha un perfetto rifiuto della modalità comune.

— The Photon,