Dlaczego stosuje się dwa stopnie dla wzmacniacza instrumentacyjnego?

Gdy mamy dwustopniowy wzmacniacz instrumentalny, taki jak poniżej.

Dlaczego potrzebujemy pierwszego etapu dwóch wzmacniaczy operacyjnych? Czy nie moglibyśmy po prostu wprowadzić V1 i V2 do wzmacniacza różnicowego?

3 wzmacniacze operacyjne mają trzy główne zalety w porównaniu z pojedynczym wzmacniaczem różnicowym.

1. Impedancja wejściowa jest znacznie wyższa, ponieważ wejścia są kierowane bezpośrednio do wejścia wzmacniacza operacyjnego, a nie do dzielnika rezystancyjnego.
2. Wzmocnienie można ustawić, zmieniając pojedynczy rezystor, dzięki czemu krytyczne części można łatwo zintegrować z jednym układem (maksymalizując symetrię) za pomocą jednego zewnętrznego rezystora do ustawienia wzmocnienia.
3. W konfiguracjach wysokiego wzmocnienia odrzucenie trybu wspólnego jest znacznie lepsze, ponieważ wzmocnienie pierwszego stopnia skutecznie zwielokrotnia odrzucenie trybu wspólnego drugiego etapu.

Zauważ, że ogólnie lepiej jest użyć konkretnego układu wzmacniacza instrumentacyjnego niż próbować zbudować go samodzielnie z oddzielnych części. Posiadanie wszystkiego na jednym chipie poprawia symetrię, a tym samym odrzucanie trybu wspólnego.

$T\Omega$

Oprócz problemów z impedancją wejściową, wzmocnienie w dwóch etapach oferuje lepszą odpowiedź częstotliwościową.

Nie jest jednostopniową wysokiej impedancji wejściowej, wzmacniacz różnicowy.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Bez Rg ma to zysk (f + 1). Rg można wykorzystać do zwiększenia wzmocnienia.

Ma jednak kompromisy w zakresie wydajności w porównaniu z wersją z 3 wzmacniaczami.

a) Ma mniej wzmocnienia w pętli otwartej, więc bardzo wysokie wzmocnienia nie są tak stabilne
b) Dwie ścieżki sygnału mają różne przesunięcie fazowe, więc odrzucanie trybu wspólnego działa tylko na niskie częstotliwości. Można to nieco poprawić za pomocą strategicznie umieszczonego kondensatora
c) Przy niskich zyskach zasięg w trybie wspólnym jest ograniczony przez zapas mocy zasilacza
d) Bardziej skomplikowane jest prawidłowe rysowanie niż wersja z 3 wzmacniaczami. Dopiero niedawno stworzyłem mnemonik, aby uzyskać rezystory we właściwych miejscach z pamięci.

Ale jeśli masz tylko 2 wzmacniacze, to działa. Pozwala to kontrolować wzmocnienie za pomocą jednego opornika zmiennego, podobnie jak wersja z 3 wzmacniaczami, ale niestety, tylko wersja z 3 wzmacniaczami, ten rezystor jest pływający.

Powyższe odpowiedzi są wiarygodne, ale chcę coś dodać. Rozważ wzmacniacz różnicowy:

Gdy dana osoba chce zmieniać wzmocnienie wzmacniacza (na przykład w celu wykorzystania maksymalnej rozdzielczości ADC), 2 rezystory o wartości K⋅R muszą być ustawione idealnie synchronicznie, za pomocą elektromechanicznych regulowanych rezystorów, aby niewielkie bicie lub zużycie tych rezystorów powodowało nierównowagę pomiędzy wartością tych dwóch rezystorów powoduje to, że nie można pominąć współczynnika trybu wspólnego. Zwykle tryb wspólny na poprzednim etapie (na przykład mostek Wheatstone'a) jest znacznie większy niż tryb różnicowy, co powoduje fałszywe pomiary.