¿Qué significa el voltaje de modo común en un amplificador de instrumentación?


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Estaba leyendo un texto sobre amplificadores de instrumentación. No pude encontrar ninguna explicación fácil de lo que significa el voltaje en modo realmente común y su importancia.


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En un IA, las resistencias deben coincidir lo más cerca posible para evitar errores, y la frase modo común se refiere a cuando aparece una señal que es común a ambas entradas, esencialmente cuando están unidas. Por ejemplo, en su diagrama, se representan dos fuentes. La salida del sensor es una fuente, obviamente conectada a solo 1 terminal del IA. La segunda fuente, la fuente de voltaje de "modo común", representa cualquier señal que pueda ser común a ambas entradas.
krb686

Tomado de Wikipedia en relación de rechazo de modo común : "Por ejemplo, cuando se mide la resistencia de un termopar en un entorno ruidoso, el ruido del entorno aparece como un desplazamiento en ambos cables de entrada, lo que lo convierte en una señal de voltaje de modo común. El CMRR del instrumento de medición determina la atenuación aplicada al desplazamiento o al ruido ".
krb686

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Bien común porque la señal es literalmente común (aparece en ambas) entradas. En cuanto al modo, no lo sé, porque no se refiere a un "modo" en el que opera la IA ni nada por el estilo. Echa un vistazo a esta foto. m.eet.com/media/1138273/17407-figure_4.pdf Hace un buen trabajo al explicarlo. Hay 3 tipos de señales de "modo común". Hay eLC, un ruido de CA común. eGD, donde el suelo está flotando, o Eos, donde el controlador está compensado un cierto voltaje. Los IA necesitan un buen CMRR, o relación de rechazo de modo común, para evitar errores asociados con tales señales comunes.
krb686

Sí, si miras tu diagrama, todo lo que está haciendo es amplificar la diferencia de las salidas del sensor. Digamos que este circuito estaba en un dispositivo móvil, donde no hay una conexión a tierra local real, entonces todo el sensor y el circuito podrían estar flotando sobre la tierra real, como se muestra en Vcm.
krb686

Pero ambas entradas están expuestas al ruido entonces. ¿Por qué no se cancela el ruido? ¿Por qué todavía hay ese molesto Vcm allí?
user16307

Respuestas:


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El voltaje de modo común es un desplazamiento de voltaje que es "común" a las entradas de inversión y no inversión (es decir, "+" y "-") del amplificador de instrumentación. Un amplificador de instrumentación está configurado como un amplificador de diferencia, por lo que mide la diferencia entre estas dos entradas y rechaza cualquier voltaje que sea común a las dos. En otras palabras, si tiene dos señales v1 (t) y v2 (t) en las dos entradas:

v1 (t) = f1 (t) + Vcm (t)

v2 (t) = f2 (t) + Vcm (t)

lo que medirá el amplificador de instrumentación es:

vo (t) = v1 (t) - v2 (t) = (f1 (t) + Vcm (t)) - (f2 (t) + Vcm (t)) = f1 (t) - f2 (t)

Tenga en cuenta que Vcm (t) (el voltaje de modo común que aparece en ambas señales de entrada) se cancela. También tenga en cuenta que esto no tiene que ser una señal de CC, sino que puede variar con el tiempo.

Ahora, ¿por qué nos importa el voltaje de modo común al seleccionar un amplificador de diferencia? Como han dicho otras personas, hay dos características clave del amplificador a considerar, la relación de rechazo de modo común (CMRR) y el rango de modo común.

El CMRR es importante porque el amplificador de instrumentación no es un amplificador diferencial ideal. Un amplificador de diferencia ideal rechazaría el 100% del voltaje de modo común en las señales de entrada, y solo mediría la diferencia entre las dos señales. En un amplificador de instrumento del mundo real, este no es el caso, y hay una cantidad medible (aunque típicamente muy pequeña) del voltaje de modo común en la entrada que ingresa a la salida.

El rango de modo común es importante, ya que limita qué tan lejos del suelo pueden estar las señales de entrada medidas. Este es un límite porque normalmente no se pueden medir señales fuera de los voltajes de suministro (a menudo denominados "rieles") del amplificador. Hay excepciones a esto, pero en general el voltaje de cada señal de entrada debe permanecer dentro de los rieles de suministro de Entonces, si está suministrando a su amplificador rieles de +/- 12V, es posible que no pueda medir la diferencia entre dos señales con una compensación de modo común de 15V, incluso si la diferencia entre las dos señales es de solo 20mV. Por ejemplo, si sus dos señales son completamente DC y son:

V1 = 15 + 0.010

V2 = 15 - 0.010

Vo = V1 - V2 = 0.020

No podría medirlos si su amplificador de instrumentación tuviera un rango de modo común de +/- 12V.


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Sus definiciones solo coinciden con la forma habitual de definir el voltaje de modo común si f1(t)=f2(t).
El Photon

@ Robert Ussery que era la explicación más clara hasta ahora me encontró
user16307

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En realidad estamos hablando de la representación del espacio vectorial. Estamos detrás de un espacio bidimensional definido por los dos voltajes de entrada <v1, v2> . Cambiar a la base <vcm, f1, f2> significa usar una base de 3 elementos para representar un espacio de 2 dimensiones y, por lo tanto, implica que el rango de <vcm, f1, f2> es 2 de todos modos y sus elementos no son linealmente independientes (es decir, ortogonales ) más largo. Realmente no es una gran idea, ser ortogonal realmente simplifica muchos cálculos. La base de @ThePhoton <vcm, vd> es lo que debe usarse en su lugar: es bidimensional y linealmente
independiente

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Digamos que un circuito tiene dos entradas, v1(t) y v2(t), podemos descomponer esto matemáticamente en una parte de modo común y diferencial , haciendo que los dos circuitos a continuación sean equivalentes:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Para que estos circuitos sean equivalentes, necesitamos tener

Vcm=V1+V22

Vd=V1V2.

Y llamamos Vcmel voltaje de modo común , y llamamosVdEl voltaje diferencial .

¿Por qué es importante?

Cuando hablamos de amplificadores de instrumentación, preferimos expresar la entrada en términos de modo común y diferencial porque los amplificadores internos están diseñados para tener una alta ganancia para señales diferenciales e idealmente no responden a las señales de modo común.

Es decir

Vod=AVid

dónde Vod es la señal diferencial en la salida, Vides la señal diferencial en la entrada, y A es la ganancia del amplificador.

y

Vocm=V

donde V es un voltaje no relacionado con las entradas.


¿Qué es VD y VD / 2 en tu figura?
usuario16307

VD es la señal diferencial o voltaje. VD / 2 es la mitad de VD.
El Photon

Usted escribió "Cuando hablamos de amplificadores de instrumentación, preferimos expresar la entrada en términos de modo común y diferencial porque los amplificadores internos están diseñados para tener una alta ganancia para señales diferenciales e idealmente no responden a señales de modo común". Pero no entiendo. en realidad solo hay una señal a la vez para cada entrada. ¿Qué quieres decir con que no tienen respuesta a voltajes cm?
user16307

"sin respuesta a las señales de modo común" significa que si las entradas + y - cambian de la misma manera, la salida no debería cambiar. Por ejemplo, si ambas entradas suben 10 mV, la salida no debería cambiar. Si ambas entradas bajan 5 mV, la salida no debería cambiar
The Photon

Puedo estar equivocado, pero su respuesta parece incorrecta y culpable de la misma suposición que mencionó en la respuesta superior (que los componentes diferenciales son iguales y opuestos). Las partes diferenciales pueden ser cualquier señal que circule en un voltaje común a ambas entradas y no necesariamente Vd / 2. Al igual que las entradas de -5V en 15V y 2V en 15V producirán la misma salida que las entradas de -4V en 15V y 3V en 15V . Así que no entiendo cómo son válidos su segundo diagrama de amplificador operacional y su primera ecuación. A menos que solo nos interese un Vcm supuesto, ya que el Vcm real solo puede determinarse empíricamente (?).
SoreDakeNoKoto

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El voltaje de modo común no es más que el desplazamiento @ en el que la señal de diferencia viaja por encima de una referencia común, es decir, Tierra. Entonces, el voltaje CM tiene importancia desde el punto de vista de operación del amplificador operacional, pero no tiene ningún impacto en la señal diff que se interpreta en el receptor porque el receptor solo mide la diferencia entre las dos señales.


RE: "no tiene ningún impacto". Eso solo es cierto si su receptor tiene un rechazo de modo común perfecto.
El Photon
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