具有差分输出和共模移位的差分放大器

简介：我想构建一个具有差分输出的差分放大器，但将共模转换为与原始模式不同的电平。

我目前的知识使我走到了这一步：以传统的3运放仪表放大器为例，如下图所示：

现在，如果您选择左边的两个运算放大器而没有第三个，则已经可以满足您的需求，即放大差分输入并提供差分输出。唯一的问题是它保留了输入的共模。在右侧添加第三个运算放大器，很容易通过偏置其接地来移动CM（实际上，这是大多数单芯片仪表放大器在提供Vbias引脚时所做的工作），但是电路的输出现在是单个-结束。

那么，既保持差分输出又保持CM移位的最佳方法是什么？我猜想，一种方法是仅取上述仪表放大器的左两个运放，并分别移动每个地。

我想到的另一种选择是仅再次使用左边的两个运算放大器，并且（以我想将CM减半的示例为例）使用所需的两倍增益，然后将每个输出除以2。

不幸的是，这两种解决方案都需要更多（数量上），具有低TCR的高度匹配电阻器（我试图将电路的温度漂移保持在非常低的水平），而且这些都是昂贵的。

那么您将如何解决这个问题？也许使用仪表放大器是错误的开始？我上面的解决方案之一是这样做的“标准”方法，还是为此目的有更好的电路？

编辑：匹配电阻的说明：我的意思是在TCR中匹配它们，因为我的目的是最大程度地降低温度漂移。这意味着我需要匹配TCR中的电阻，而不是绝对值，以便当它们由于温度而漂移时，它们将保持其原始比率。实际上，我对匹配绝对值不感兴趣（几乎，我仍然需要一点匹配来维持CMRR），原因有两个：1）绝对值不匹配会导致失调和增益误差，这两个误差都易于在以下位置校准系统级别。测量和校正温度漂移要困难得多。2）无论如何，即使不进行校准，大多数失调误差也不存在，因为这将是传感器的前端，并且由于传感器的交流激励，失调误差将被抵消。无论如何：

这就是OP想要的，在一个已定义的输出共模附近的差分输出，没有更多，实际上更少的精密电阻。

^{模拟此电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

如果共模电压与Vcm处的输入不匹配，则OA3以相同的增益将输入电压驱动到两个反相输入中，这将导致两个输出电压在相同方向上移动相同的量，从而保持现有的差分增益，但要切换共模直到没有错误。

稳定性可能是一个问题，因为反馈环路中有两个安培。我怀疑通过破坏OA3带宽和/或以较小的C跨R3和R5稍微加速OA1 / 2会很容易实现稳定，这从差异行为的角度来看可能是或不希望的。

请注意，唯一需要匹配的电阻是R1和R2，它们将两个输出端子设置为在Vcm附近均等放置。差分增益仅为（R3 + R4 + R5 + R6）/（R4 + R6），不需要匹配的电阻器，这些可以是四个任意值电阻器，当然要获得正确的增益。我通过在图中为这些电阻器输入4个不匹配的值来强调这一事实。差分增益为7（21k / 7k），由于R1 == R2和OA3，输出恰好位于Vcm附近。尝试一下！

您已经有了所需的东西，只是将电平转换输入接地，因此输出参考接地。在原理图中，R3右端的电压将加到两个输入信号的差值上。

通过查看更简单的差分放大器，更容易理解：

这确实

   OUT =（IN +-IN1）+ OFS

要看到这一点，请考虑在每个输入均保持不变的情况下变化每个输入时会发生什么。

从IN-来看，这只是一个简单的反相放大器。在IN +和OFS保持固定的情况下，要放大的参考值保持固定。增益仅为-R3 / R1，如果两个电阻相等，则为-1。

从运算放大器+输入端来看，这只是一个具有正增益（R3 + R1）/ R1的简单放大器。在两个电阻相等的情况下，即为2。为了匹配IN-的增益幅度，因此需要将IN +信号衰减2。这就是R2和R4的作用。OFS接地时，IN +被除以2，然后提供给运算放大器+输入。然后将其放大2，从IN +到OUT的净增益为+1。

请注意，OFS和IN +等效地工作。在上面的公式中，我显示了OFS为输出信号加上了偏移量，而IN +为正差分输入，但在数学上它们都是等效的。

您已经注意到，右侧的运算放大器电路只是一个差动放大器，可以消除CM信号。极性是任意分配的，因此反相输入连接到顶部，而同相连接到底部。

您可以通过复制整个差动放大器（包括R2和R3）来完成所需的工作，但在第二个电路上反转极性。

您正确地认为，可以通过用干净的直流电压替换接地连接来偏置两个输出。