O que representa a tensão de modo comum em um amplificador de instrumentação?

Eu estava lendo um texto sobre amplificadores de instrumentação. Não consegui encontrar uma explicação fácil sobre o que significa realmente a tensão no modo comum e sua importância.

A tensão no modo comum é um desvio de tensão "comum" para as entradas inversora e não inversora (ou seja, "+" e "-") do amplificador de instrumentação. Um amplificador de instrumentação é configurado como um amplificador de diferença, para medir a diferença entre essas duas entradas e, portanto, rejeita qualquer voltagem comum às duas. Em outras palavras, se você tiver dois sinais v1 (t) e v2 (t) nas duas entradas:

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

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

o que o amplificador de instrumentação medirá é:

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

Observe que Vcm (t) (a tensão do modo comum que aparece nos dois sinais de entrada) é cancelada. Observe também que este não precisa ser um sinal DC, mas pode variar com o tempo.

Agora, por que nos preocupamos com a tensão do modo comum ao selecionar um amplificador de diferença? Como outras pessoas disseram, há duas características principais do amplificador a serem consideradas, a taxa de rejeição de modo comum (CMRR) e a faixa de modo comum.

O CMRR é importante porque o amplificador de instrumentação não é um amplificador de diferença ideal. Um amplificador de diferença ideal rejeitaria 100% da tensão do modo comum nos sinais de entrada e medisse apenas a diferença entre os dois sinais. Em um amplificador de instrumento do mundo real, esse não é o caso, e há uma quantidade mensurável (embora geralmente muito pequena) da tensão em modo comum na entrada que entra na saída.

A faixa do modo comum é importante, porque limita a distância do solo dos sinais de entrada medidos. Este é um limite, porque normalmente você não pode medir sinais fora das tensões de alimentação (geralmente chamadas de "trilhos) do amplificador. Existem exceções, mas em geral a tensão de cada sinal de entrada deve permanecer dentro dos trilhos de alimentação do amplificador. Portanto, se você estiver fornecendo ao seu amplificador trilhos de +/- 12V, poderá não conseguir medir a diferença entre dois sinais com um desvio de modo comum de 15V, mesmo que a diferença entre os dois sinais seja de apenas 20mV. Por exemplo, se seus dois sinais são completamente CC e são:

V1 = 15 + 0,010

V2 = 15 - 0,010

Vo = V1 - V2 = 0,020

Você não seria capaz de medi-las se o seu amplificador de instrumentação tivesse uma faixa de modo comum de +/- 12V.

Digamos que um circuito tenha duas entradas, $v_1(t)$ e $v_2(t)$, podemos decompor matematicamente isso em um modo comum e uma parte diferencial , tornando os dois circuitos abaixo equivalentes:

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

Para que esses circuitos sejam equivalentes, precisamos ter

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

$V_d = V_1 - V_2$.

E nós chamamos $V_{cm}$a tensão do modo comum , e chamamos$V_d$a tensão diferencial .

Por que isso é importante?

Ao falar sobre amplificadores de instrumentação, preferimos expressar a entrada em termos de modo comum e diferencial, porque os amplificadores são projetados para ter alto ganho para sinais diferenciais e, idealmente, nenhuma resposta aos sinais em modo comum.

Isso é

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

Onde $V_{o-d}$ é o sinal diferencial na saída, $V_{i-d}$é o sinal diferencial na entrada e A é o ganho do amplificador.

e

$V_{o-cm} = V$

onde V é alguma voltagem não relacionada às entradas.

a tensão do modo comum nada mais é do que o deslocamento @ que o sinal diferencial está percorrendo acima de uma referência comum, ou seja, terra. Portanto, a tensão CM tem importância do ponto de vista de operação do amplificador operacional, mas não causa nenhum impacto no sinal diff que está sendo interpretado no receptor, porque o receptor mede apenas a diferença entre os dois sinais.