差動出力とコモンモードシフトを備えた差動アンプ

概要：差動出力を備えた差動アンプを構築したいのですが、コモンモードを元のレベルとは異なるレベルにシフトします。

私の現在の知識はこれまでのところ私を連れて行きます：この画像にあるような、伝統的な3オペアンプの計装用アンプを取り上げます。

ここで、左側の2つのオペアンプを3番目のオペアンプなしで使用すると、それらはすでに私が望んでいるものとほぼ同じです。つまり、差動入力を増幅し、差動出力を提供します。唯一の問題は、入力のコモンモードを保持することです。右側に3番目のオペアンプを追加すると、グラウンドにバイアスをかけることでCMをシフトするのは簡単です（実際、これはほとんどのシングルチップインストゥルメントアンプがVbiasピンを提供するときに行うことです）が、回路の出力は単一になりました-終了しました。

では、差動出力とCMシフトの両方を維持する最良の方法は何でしょうか。1つの方法は、おそらく、上記の計装アンプの左側の2つのオペアンプのみを使用して、それぞれのグランドを個別にシフトすることです。

私の頭に浮かぶもう1つのオプションは、左の2つのオペアンプだけを再び使用し、（例として、CMを半分にしたい場合）必要に応じて2倍のゲインを使用し、各出力を2で除算することです。

残念なことに、これらのソリューションはどちらも、TCRが低く（回路の温度ドリフトを非常に低く抑えようとしています）、より多くの（量的に）整合性の高い抵抗が必要です。

では、この問題にどう対処しますか？多分計装アンプを取ることは間違ったスタートですか？私の上記のソリューションの1つはこれを行う「標準」の方法ですか、それともこの目的のためのより良い回路がありますか？

編集：整合抵抗の明確化：温度ドリフトを最小限に抑えることを目的としているため、TCRでそれらを整合させることです。これは、抵抗を絶対値ではなくTCRで一致させる必要があることを意味します。これにより、抵抗が温度によってドリフトしたときに、元の比率を維持します。実際、私は絶対値の照合に関心がありません（ほとんどの場合、CMRRを維持するには少しの照合が必要です）。これには、2つの理由があります。1）絶対値の不一致により、オフセットエラーとゲインエラーが発生します。システムレベル。温度ドリフトの測定と修正ははるかに困難です。2）これはセンサーのフロントエンドであり、センサーのAC励起によりオフセットエラーは相殺されるため、ほとんどのオフセットエラーはキャリブレーションを行わなくても存在しなくなります。とにかく：

これは、OPが必要とするものであり、定義された出力コモンモードの周囲の差動出力であり、正確な抵抗はこれ以上なく、実際には少なくなっています。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

コモンモード電圧がVcmで入力と一致しない場合、OA3は入力電圧を両方の反転入力に同じゲインで駆動します。これにより、両方の出力電圧が同じ量だけ同じ方向に移動し、既存の差動ゲインが維持されます。 、しかしエラーがなくなるまでコモンモードをシフトします。

フィードバックループには2つのアンプがあるため、安定性が問題になる可能性があります。私は、OA3帯域幅を破壊するか、R3とR5の間に小さなCを使用してOA1 / 2を少し高速化することで安定させるのは簡単だと思います。

整合が必要な抵抗はR1とR2のみであり、2つの出力端子がVcmの周りに等しく配置されるように設定することに注意してください。差動ゲインはちょうど（R3 + R4 + R5 + R6）/（R4 + R6）であり、整合した抵抗は必要ありません。これらは4つの任意の値の抵抗であり、当然正しいゲインが得られます。これらの抵抗器の図に4つの一致しない値を入れることで、その事実を強調します。差分ゲインは7（21k / 7k）で、R1 == R2とOA3のため、出力はVcmの周りに正確に配置されます。それを試してみてください！

レベルシフト入力を接地して、出力が接地を参照するようにしただけで、必要なものがすでにあります。回路図では、R3の右端の電圧が2つの入力信号の差に追加されます。

よりシンプルな差分アンプを見れば、理解しやすくなります。

これは

   OUT =（IN +-IN1）+ OFS

これを確認するために、他のすべてが固定された状態で各入力が変化したときに何が起こるかを検討してください。

IN-からは、これは単なる単純な反転アンプです。IN +とOFSを固定すると、増幅する基準値が固定されます。ゲインはちょうど-R3 / R1で、両方の抵抗が等しい場合は-1です。

オペアンプ+入力から、これは正のゲイン（R3 + R1）/ R1を持つ単純なアンプです。両方の抵抗が等しい場合、つまり2です。IN-からのゲインの大きさを一致させるには、IN +信号を2だけ減衰させる必要があります。これがR2とR4の役割です。OFSがグラウンドにある場合、IN +は2で除算されてからオペアンプ+入力に送られます。次に、IN +からOUTまでの正味ゲインが+1になるように、2倍に増幅されます。

OFSとIN +は同等に機能することに注意してください。上記の方程式では、出力信号にオフセットを追加し、IN +を正の差動入力としてOFSを示しましたが、数学的にはどちらも同等です。

右側のオペアンプ回路は、CM信号を除去する単なる差動アンプであることはすでに説明しました。極性は任意に割り当てられるため、反転入力は上に接続され、非反転は下に接続されます。

差動アンプ全体（R2とR3を含む）を複製することで目的を達成できますが、2番目の回路の極性を逆にします。

グランド接続をクリーンなDC電圧に置き換えることで、両方の出力にバイアスをかけることができるのは正しいことです。