Instrumentationsverstärker vs. gepufferter Differenzverstärker

Dies ist eine ältere Frage, aber eine Antwort wert: Schaltung 1 ist die logische Weiterentwicklung von Schaltung 2.

Wenn Sie mit Schaltung 2 beginnen und diese Eingangspuffer in nichtinvertierende Verstärker umwandeln, haben Sie immer noch eine hohe Impedanz und den Vorteil einer zweistufigen Verstärkung (Sie legen also nicht die gesamte Verstärkung auf die Differenzstufe, wo Sie sättigen könnten oder andere Probleme verursachen). Wenn Ihre zweite Stufe also einen Gewinn von 100 hatte, können Sie jetzt 10x und 10x machen. Siehe die Schaltung unten (ignorieren Sie die Widerstandswerte, sie sind nur die Standardwerte, um den Punkt zu veranschaulichen).

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Als nächstes können Sie einfach diese beiden geerdeten Widerstände an den invertierenden Eingängen der ersten Stufe nehmen und miteinander verbinden - und Sie erhalten den Instrumentenverstärker. Sie haben also zwei Verstärkungsstufen und die Möglichkeit, eine vom Benutzer einstellbare Verstärkung vorzunehmen. Sie verlieren nicht wirklich etwas (außer dass Sie 3 weitere Widerstände benötigen). CMRR ist das gleiche, verliere dort nicht wirklich etwas.

BEARBEITEN: Beantwortung einer Frage im Kommentar - warum können wir diese beiden Gründe miteinander verbinden? Die Masse in diesem Stromkreis muss nicht dieselbe Masse sein. Sie können sich vorstellen, dass die in der ersten Stufe die Eingangsmasse (Gleichtakt) und die nach R5 die Ausgangsmasse sind (was auch immer die nächste Stufe ist). Dann können Sie sehen, dass Sie sie einfach zusammenbinden können. Ok, also binden wir die Eingänge zusammen! Aber was passiert, wenn Sie "Zugriff" auf diese Gleichtakt-Eingangsspannung haben möchten, die Sie gerade in der Mitte eines Widerstands vergraben haben? Sie können es mit einem Spannungsteiler zurückbekommen, so funktionieren Treiberschaltungen für das rechte Bein in EKGs und Bootstrap-Instrumentenverstärker! Siehe https://www.ti.com/lit/an/sbaa188/sbaa188.pdf TIs SBAA-188 Application Note "

Interessant... 17 Stunden Nichtbeantwortung... Ist es wirklich so schwer, eine solche Frage zu beantworten? Dann +1 für Komplexität :)

Hier sind einige Überlegungen, die bei der Beantwortung helfen können...

Beide Schaltungen sind 2-stufige Verstärker, aber die Gesamtverstärkung ist unterschiedlich verteilt: In der oberen Schaltung ist die erste Stufe ein Verstärker, während die zweite Stufe ein Follower ist; In der unteren Schaltung ist die erste Stufe ein Folger, während die zweite Stufe ein Verstärker ist.

Ich denke, ein weiterer Vorteil der Top-Schaltung ist, dass ihre erste Stufe einen erheblichen Gewinn erzielen kann, ohne den CMRR-Faktor zu verschlechtern. Dies liegt daran, dass es das Gleichtaktsignal nur einmal verstärkt (folgt) (die Knoten 1 - 4 und alle Punkte innerhalb der Widerstände zwischen ihnen folgen den Gleichtaktvariationen). Somit können wir die Gesamtverstärkung auf die beiden Stufen verteilen.

Wenn wir versuchen, die Spannungsfolger der unteren Schaltung verstärken zu lassen (sie zu separaten nicht invertierenden Verstärkern zu machen), verringert dies den Eingangs-Gleichtaktbereich und die Eingangs-Operationsverstärker werden selbst bei niedrigen gemeinsamen Eingangsspannungen gesättigt.

Ich glaube, dass dasselbe Problem vor vielen Jahren zur Erfindung des berühmten Langschwanzpärchens geführt hat. Wahrscheinlich haben sie ursprünglich einen "Differenzverstärker" aus zwei Emitterfolgern (Röhrenfolgern) zusammengebaut ... aber sie haben bald erkannt, dass diese Schaltungslösung sowohl Differenz- als auch Gleichtaktsignale verstärken wird. Dann kamen sie auf diese geniale Lösung, um die Follower-Ausgänge zu verbinden und ihre Emitter- (Röhren-) Widerstände in einem "Schwanz" zu kombinieren. Siehe auch eine verwandte ResearchGate-Diskussion .

Die Hauptquelle der CMRR-Verschlechterung in beiden Schaltungen ist die Widerstandsfehlanpassung. Und da in beiden Stufen des oberen Schaltkreises Widerstände vorhanden sind, könnte man davon ausgehen, dass sein CMRR schlechter ist.

Ich habe gerade einen weiteren interessanten Unterschied zwischen den beiden Schaltungen festgestellt, der bei der Beantwortung hilfreich sein kann - in der zweiten Schaltung gibt es eine Gleichtaktunterdrückung nur in der zweiten Stufe, während in der ersten Schaltung eine Gleichtaktunterdrückung in beiden Stufen vorhanden ist ...

Das möchte ich erwähnen:

• Der Schaltungs-CMMR (verursacht durch Widerstandsfehlanpassung und OpAmp-CMMR) ist hier nicht das Hauptproblem. Es wirkt sich auf die "Diamantform" aus, ebenso wie die Offsets der Eingangsspannung, die endliche Verstärkung, der Ausgangsstrom und die Temperaturdrift. Die "Diamantform" scheint im Vergleich zu den Stromschienen nur aus den Eingangs- und Ausgangsbeschränkungen (einschließlich der internen Knoten) extrahiert zu werden. CMMRs beeinflussen den gesamten Bereich linear (wie andere nicht ideale Eigenschaften), und was die Form zeigt, sind die Grenzen für den linearen Betrieb.

• Das Aufteilen des Verstärkungswiderstands ist sehr interessant, um das Problem auf einfachere unabhängige zu reduzieren, aber die Analyse funktioniert für ideale OpAmps und nur, wenn die internen Spannungen keine Rolle spielen. Der „Mittelabgriff“ verändert die Art und Weise, wie die Ströme in den Widerständen der Eingangsstufe fließen, und zieht den „Mittelpunkt“ des Bauteils auf Masse, was die Gleichtaktspannung an den Eingängen und die absoluten Ausgangsspannungen der ersten Stufe beeinflusst. Tatsächlich ist es, wie in einer anderen Antwort erwähnt, eine großartige Technik, die Kontrolle über interne Gleichtaktspannungen zu verbessern .

• Viele INAs haben in der zweiten Stufe Einheitsgewinn. In diesen Fällen wird der Gewinn nicht in zwei Stufen geteilt, sondern in die Eingangsstufe "verschoben". Das ist ein Problem bezüglich der Gleichtaktspannung. Die absoluten Spannungen in den internen Knoten hängen von der Eingangs-Gleichtaktspannung ab, auch bei Verstärkung = 1 (wodurch die CM-Spannung an die internen Ausgänge übertragen wird, wie in der zweiten in der Frage gezeigten Schaltung).

Vom Gleichtakt betroffene Ein- und Ausgänge:

In Bezug auf die spezielle Frage ist der "gepufferte Differenzverstärker" ein Sonderfall für den vollen INA, wobei Rg = unendlich ist. Es kann sogar mit dem Diamantwerkzeug von analogen Geräten für INAs mit Einheitsverstärkung in der zweiten Stufe simuliert werden.

Die Raute wird aus dem Schnittpunkt von 3 Polygonen erzeugt, die eine Fläche erzeugen, die mit dem idealen Betriebsbereich (der ein Rechteck ist) verglichen wird. Grafisch funktioniert das so:

Der Verstärker arbeitet linear, wenn der gesamte Eingangsbereich (Vdiff und Vcm) einen idealen Ausgang erzeugt (der auch von Vref abhängt), der vollständig auf den Schnittpunkt der 3 Polygone passt. Die ideale Ausgabe wird als rotes Rechteck dargestellt.

Das blaue Parallelogramm bezieht sich auf die Leistungsgrenzen. Sie folgt den Spannungsschienen entsprechend den Bauteileigenschaften und wird mit Vref nach oben und unten verschoben. Die grüne Raute bezieht sich auf „interne Knoten“ und die Informationen, die zum Zeichnen benötigt werden, sind normalerweise nicht in den Datenblättern verfügbar. Die höchsten und niedrigsten Punkte sind auf Vref zentriert und die Form variiert mit den Spannungsschienen. Bei allen Komponenten, die ich simuliert habe, wird die Form nicht durch die Verstärkung beeinflusst (und das ist seltsam).

Die orangefarbene Raute bezieht sich auf Eingabegrenzen. Die höchsten und niedrigsten Punkte sind ebenfalls auf Vref zentriert und die Form variiert mit den Spannungsschienen und der Verstärkung. Je größer die Verstärkung, desto breiter die Form. Da die beiden Rauten für Verstärkung = 1 in allen von mir überprüften INAs sehr ähnlich sind, macht eine Erhöhung der Verstärkung die "Diamantform" weniger abhängig von der orangefarbenen Raute.

Du bist hier angekommen!? Nun, eine direkte Antwort auf die Frage lautet: Es kommt darauf an, und für echte integrierte INAs macht es keinen großen Unterschied.

Wenn Sie über die Frage hinausgehen und wirklich CM-Spannungsprobleme lösen möchten, entscheiden Sie sich für spezifische Lösungen wie die für EKG erwähnte.