Amplificador diferencial con salida diferencial y cambio de modo común

Resumen: me gustaría construir un amplificador diferencial con salida diferencial, pero cambiar el modo común a un nivel diferente del original.

Mi conocimiento actual me lleva hasta aquí: tome el amplificador de instrumentación tradicional de 3 opamp, como el de esta imagen:

Ahora, si tomas los dos opamps de la izquierda sin el tercero, esos ya te dan casi lo que quiero, es decir, amplificar la entrada diferencial y dar una salida diferencial. El único problema es que conserva el modo común de la entrada. Al agregar el tercer opamp a la derecha, es fácil cambiar el CM al polarizar su tierra (de hecho, esto es lo que hacen la mayoría de los amplificadores de inserción de un solo chip cuando proporcionan un pin Vbias), pero la salida del circuito ahora es única terminado.

Entonces, ¿cuál es la mejor manera de mantener tanto la salida diferencial como el CM-shift? Una forma es, supongo, tomar solo los dos opamps de la izquierda del amplificador de instrumentación anterior y cambiar el terreno de cada uno por separado.

Otra opción que me viene a la mente es tomar solo los dos opamps de la izquierda nuevamente y (usando un ejemplo cuando quiero dividir a la mitad el CM) usar el doble de ganancia según sea necesario, y luego dividir cada salida por 2.

Desafortunadamente, ambas soluciones requieren más (en cantidad) resistencias altamente adaptadas con bajo TCR (estoy tratando de mantener la deriva de temperatura del circuito muy baja), y son muy costosas.

Entonces, ¿cómo resolverías este problema? ¿Quizás tomar un amplificador de instrumentación es un mal comienzo? ¿Es una de mis soluciones anteriores la forma "estándar" de hacer esto, o existen mejores circuitos para este propósito?

EDITAR: Aclaración sobre las resistencias coincidentes: lo que quiero decir es unirlas en TCR, porque tengo el objetivo de minimizar la deriva de temperatura. Esto significa que necesito hacer coincidir las resistencias en TCR, no en valor absoluto, de modo que cuando se desvíen debido a la temperatura, mantengan sus relaciones originales. En realidad, no estoy interesado en hacer coincidir los valores absolutos (casi, todavía necesito un poco de coincidencia para mantener CMRR), por dos razones: 1) una falta de coincidencia en el valor absoluto causa errores de compensación y ganancia, los cuales son fáciles de calibrar en Nivel del sistema. Medir y corregir la deriva de temperatura es mucho más difícil. 2) La mayoría de los errores de compensación serán inexistentes de todos modos sin siquiera calibrarse, porque esto será una interfaz para un sensor, y los errores de compensación se cancelarán debido a la excitación de CA del sensor. De todas formas:

Esto hace lo que el OP quería, una salida diferencial alrededor de un modo común de salida definida, sin más resistencias de precisión, y de hecho menos.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si el voltaje en modo común no coincide con la entrada en Vcm, entonces OA3 conduce un voltaje de entrada en ambas entradas inversoras, con la misma ganancia, lo que hará que ambos voltajes de salida se muevan la misma cantidad en la misma dirección, manteniendo la ganancia diferencial existente , pero cambiando el modo común hasta que no haya ningún error.

La estabilidad puede ser un problema, ya que hay dos amplificadores en un ciclo de retroalimentación. Sospecho que sería fácil estabilizarse reduciendo el ancho de banda de OA3 y / o acelerando un poco OA1 / 2 con una pequeña C en R3 y R5, lo que puede o no ser deseable desde el punto de vista del comportamiento diferencial.

Tenga en cuenta que las únicas resistencias que deben coincidir son R1 y R2, que configuran los dos terminales de salida para que estén igualmente dispuestos alrededor de Vcm. La ganancia diferencial es solo (R3 + R4 + R5 + R6) / (R4 + R6), no necesita resistencias emparejadas, estas pueden ser cuatro resistencias de valor arbitrario, sujetas a obtener la ganancia correcta, por supuesto. Destaco ese hecho al poner 4 valores inigualables en el diagrama para esas resistencias. La ganancia diferencial es 7 (21k / 7k), con las salidas dispuestas exactamente alrededor de Vcm debido a R1 == R2 y OA3. ¡Intentalo!

Ya tiene lo que desea, solo que conectó a tierra la entrada de cambio de nivel para que la salida haga referencia a tierra. En su esquema, el voltaje en el extremo derecho de R3 se agregará a la diferencia de las dos señales de entrada.

Es más fácil de entender mirando un amplificador diferencial más simple:

Esto hace

   OUT = (IN + - IN1) + OFS

Para ver esto, considere lo que sucede cuando cada entrada varía con todo lo demás mantenido fijo.

Desde IN-, esto es solo un simple amplificador inversor. Con IN + y OFS mantenidos fijos, el valor de referencia sobre el cual amplificar se mantiene fijo. La ganancia es solo -R3 / R1, que es -1 si ambas resistencias son iguales.

Desde la entrada opamp +, este es solo un amplificador simple con ganancia positiva (R3 + R1) / R1. Con ambas resistencias iguales, eso es 2. Para igualar la magnitud de la ganancia de IN-, la señal IN + necesita ser atenuada por 2. Eso es lo que hacen R2 y R4. Con OFS en tierra, IN + se divide por 2 antes de presentarse a la entrada opamp +. Luego se amplifica en 2, para una ganancia neta de IN + a OUT de +1.

Tenga en cuenta que OFS e IN + funcionan de manera equivalente. En la ecuación anterior, mostré que OFS agregaba el desplazamiento a la señal de salida e IN + era la entrada diferencial positiva, pero matemáticamente ambos son equivalentes.

Ya ha notado que el circuito opamp de la derecha es solo un amplificador de diferencia que elimina la señal CM. La polaridad se asigna arbitrariamente para que la entrada inversora se conecte a la parte superior y no se invierta a la parte inferior.

Puede lograr lo que desea duplicando todo el amplificador de diferencia (incluidos los R2 y R3) pero invirtiendo la polaridad en el segundo circuito.

Tiene razón en que ambas salidas pueden ser sesgadas al reemplazar las conexiones a tierra con un voltaje de CC limpio.