Por que dois estágios são usados ​​para um amplificador de instrumentação?

Quando temos um amplificador de instrumentação de dois estágios, como o seguinte.

Por que precisamos da primeira etapa dos dois amplificadores operacionais? Não poderíamos simplesmente inserir V1 e V2 no amplificador diferencial?

O design de 3 op-amp possui três vantagens principais sobre um único amplificador diferencial de op-amp.

1. A impedância de entrada é muito maior, uma vez que as entradas direcionam diretamente para uma entrada de amplificador operacional em vez de para um divisor resistivo.
2. O ganho pode ser definido alterando-se um único resistor, para que as partes críticas possam ser facilmente integradas em um chip (maximizando a simetria) com um único resistor externo para definir o ganho.
3. Nas configurações de alto ganho, a rejeição do modo comum é muito melhor porque o ganho do primeiro estágio multiplica efetivamente a rejeição do modo comum do segundo estágio.

Observe que, em geral, é melhor usar um chip amplificador de instrumentação específico do que tentar construí-lo com partes separadas. Ter tudo em um chip melhora a simetria e, portanto, a rejeição do modo comum.

$T\Omega$

Além das preocupações com a impedância de entrada, o ganho em dois estágios oferece melhor resposta de frequência.

Não é uma única fase, de alta impedância de entrada, um amplificador diferencial.

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

Sem Rg, isso tem um ganho de (f + 1). Rg pode ser usado para aumentar o ganho.

No entanto, possui comprometimentos de desempenho em relação à versão de 3 amplificadores.

a) Possui menos ganho de malha aberta, portanto, ganhos muito altos não são tão estáveis
b) Os dois caminhos de sinal têm mudança de fase diferente; portanto, a rejeição do modo comum funciona apenas em baixas frequências. Você pode melhorar um pouco isso com um capacitor estrategicamente colocado.
C) Com baixos ganhos, o alcance do modo comum é limitado pelo espaço livre da fonte de alimentação
d) É mais complicado desenhar corretamente do que a versão de 3 amplificadores. Só recentemente eu criei um mnemônico para colocar os resistores nos lugares certos da memória.

Mas, se você tiver apenas 2 amplificadores restantes, ele funcionará. Ele permite que você controle o ganho com um único resistor variável, assim como na versão de 3 amplificadores, mas, infelizmente, apenas na versão de 3 amp, esse resistor está flutuando.

As respostas acima são confiáveis, mas quero adicionar algo. Considere o amplificador diferencial:

Quando uma pessoa deseja variar o ganho do amplificador (por exemplo, para explorar a resolução máxima do ADC), os 2 resistores com o valor K⋅R devem ser ajustados perfeitamente de forma síncrona, através de resistores eletromecânicos ajustáveis, de modo que um ligeiro desvio ou desgaste desses resistores resulte em desequilíbrio entre o valor desses dois resistores, isso resulta em não ser negligenciado o fator de modo comum. Normalmente, o modo comum no estágio anterior (ponte de Wheatstone, por exemplo) é muito maior que o modo diferencial, resultando em medições falsas.