Amplificador diferencial com saída diferencial e mudança de modo comum

Resumo: Gostaria de construir um amplificador diferencial com saída diferencial, mas mude o modo comum para um nível diferente do original.

Meu conhecimento atual me leva até aqui: leve o amplificador de instrumentação tradicional de 3 opamp, como o desta imagem:

Agora, se você pegar os dois opamps à esquerda sem o terceiro, eles já lhe dão quase o que eu quero, ou seja, amplificar a entrada diferencial e dar uma saída diferencial. O único problema é que preserva o modo comum da entrada. Adicionando o terceiro opamp à direita, é fácil mudar o CM enviesando seu terreno (de fato, é o que a maioria dos amplificadores instr de chip único faz quando fornecem um pino Vbias), mas a saída do circuito agora é única -pedido.

Então, qual é a melhor maneira de manter a saída diferencial e o deslocamento CM? Eu acho que uma maneira de pegar apenas os dois opamps esquerdos do amplificador de instrumentação acima e mudar o solo de cada um separadamente.

Outra opção que me vem à mente é pegar apenas os dois opamps esquerdos novamente, e (usando um exemplo quando quero reduzir pela metade o CM), use o dobro do ganho conforme necessário e depois divida cada saída por 2.

Infelizmente, essas duas soluções exigem mais resistores (em quantidade) altamente compatíveis com TCR baixo (estou tentando manter a variação de temperatura do circuito muito baixa), e esses são muito caros.

Então, como você lidaria com esse problema? Talvez tomar um amplificador de instrumentação seja o começo errado? Uma das minhas soluções acima é a maneira "padrão" de fazer isso, ou existem melhores circuitos para esse fim?

EDIT: Esclarecimento sobre os resistores correspondentes: O que quero dizer é combiná-los no TCR, porque pretendo minimizar a variação de temperatura. Isso significa que eu preciso corresponder os resistores no TCR, não no valor absoluto, para que, quando eles se desviem devido à temperatura, mantenham suas proporções originais. Na verdade, não tenho interesse em combinar valores absolutos (quase, ainda preciso de um pouco de correspondência para manter o CMRR), por duas razões: 1) uma incompatibilidade no valor absoluto causa erros de compensação e ganho, ambos fáceis de calibrar em nível do sistema. Medir e corrigir o desvio de temperatura é muito mais difícil. 2) A maioria dos erros de deslocamento será inexistente mesmo sem a calibração, porque isso é uma interface para o sensor e os erros de deslocamento serão cancelados devido à excitação CA do sensor. De qualquer forma:

Isso faz o que o OP queria, uma saída diferencial em torno de um modo comum de saída definido, sem mais e de fato menos resistores de precisão.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Se a tensão do modo comum não coincidir com a entrada em Vcm, o OA3 aciona uma tensão de entrada nas duas entradas inversoras, com o mesmo ganho, o que fará com que ambas as tensões de saída movam a mesma quantidade na mesma direção, mantendo o ganho diferencial existente. , mas mudando o modo comum até que não haja erro.

A estabilidade pode ser um problema, pois há dois amplificadores em um loop de feedback. Suspeito que seria fácil estabilizar com a largura de banda do OA3 e / ou acelerar o OA1 / 2 um pouco com um pequeno C entre R3 e R5, o que pode ou não ser desejável do ponto de vista do comportamento diferencial.

Observe que os únicos resistores que precisam ser correspondidos são R1 e R2, que configuram os dois terminais de saída para serem dispostos igualmente em torno de Vcm. O ganho diferencial é apenas (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), não precisa de resistores correspondentes, estes podem ser quatro resistores de valor arbitrário, sujeitos a obter o ganho correto, é claro. Enfatizo esse fato colocando 4 valores incomparáveis ​​no diagrama para esses resistores. O ganho diferencial é 7 (21k / 7k), com as saídas dispostas exatamente em torno de Vcm por causa de R1 == R2 e OA3. Tente!

Você já tem o que deseja, apenas aterrou a entrada de mudança de nível para que a saída seja referenciada à terra. No seu esquema, a tensão na extremidade direita do R3 será adicionada à diferença dos dois sinais de entrada.

É mais fácil entender olhando para um amplificador diferencial mais simples:

Isso faz

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Para ver isso, considere o que acontece quando cada entrada é variada com tudo o mais mantido fixo.

De IN-, este é apenas um amplificador inversor simples. Com IN + e OFS mantidos fixos, o valor de referência sobre o qual amplificar é mantido fixo. O ganho é apenas -R3 / R1, que é -1 se os dois resistores forem iguais.

Da entrada opamp +, este é apenas um amplificador simples com ganho positivo (R3 + R1) / R1. Com os dois resistores iguais, isto é 2. Para coincidir com a magnitude do ganho de IN-, o sinal IN + precisa, portanto, ser atenuado por 2. É isso que R2 e R4 fazem. Com o OFS no solo, o IN + é dividido por 2 antes de ser apresentado à entrada opamp +. Isso é amplificado por 2, para um ganho líquido de IN + a OUT de +1.

Observe que OFS e IN + funcionam de maneira equivalente. Na equação acima, mostrei o OFS adicionando o deslocamento ao sinal de saída e IN + sendo a entrada diferencial positiva, mas matematicamente ambos são equivalentes.

Você já notou que o circuito opamp à direita é apenas um amplificador de diferença que remove o sinal CM. A polaridade é arbitrariamente atribuída para que a entrada inversora seja conectada ao topo e não inversora ao fundo.

Você pode realizar o que deseja duplicando todo o amplificador de diferença (incluindo os R2s e R3s), mas inverter a polaridade no segundo circuito.

Você está certo de que ambas as saídas podem ser polarizadas substituindo as conexões de aterramento por uma tensão CC limpa.