Que signifie la tension de mode commun dans un amplificateur d'instrumentation?

Je lisais un texte sur les amplificateurs d'instrumentation. Je n'ai pas pu trouver d'explication facile sur ce que signifie vraiment la tension de mode commun et son importance.

La tension de mode commun est un décalage de tension qui est "commun" aux entrées inverseuse et non inverseuse (c'est-à-dire "+" et "-") de l'ampli d'instrumentation. Un amplificateur d'instrumentation est configuré comme un amplificateur de différence, il mesure donc la différence entre ces deux entrées et rejette ainsi toute tension commune aux deux. En d'autres termes, si vous avez deux signaux v1 (t) et v2 (t) sur les deux entrées:

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

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

ce que l'ampli d'instrumentation mesurera est:

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

Notez que Vcm (t) (la tension de mode commun qui apparaît dans les deux signaux d'entrée) est annulée. Notez également que cela ne doit pas nécessairement être un signal DC, mais peut varier avec le temps.

Maintenant, pourquoi nous soucions-nous de la tension de mode commun lors de la sélection d'un amplificateur différentiel? Comme d'autres l'ont dit, il y a deux caractéristiques clés de l'amplificateur à considérer, le taux de réjection en mode commun (CMRR) et la plage de mode commun.

Le CMRR est important car l'amplificateur d'instrumentation n'est pas un amplificateur de différence idéal. Un amplificateur de différence idéal rejetterait 100% de la tension de mode commun dans les signaux d'entrée et ne mesurerait que la différence entre les deux signaux. Dans un ampli d'instrument du monde réel, ce n'est pas le cas, et il y a une quantité mesurable (bien que généralement très très petite) de la tension de mode commun sur l'entrée qui entre dans la sortie.

La plage en mode commun est importante, car elle limite la distance par rapport à la terre des signaux d'entrée mesurés. Il s'agit d'une limite car, en règle générale, vous ne pouvez pas mesurer les signaux en dehors des tensions d'alimentation (souvent appelées «rails») de l'amplificateur. Il existe des exceptions, mais en général, la tension de chaque signal d'entrée doit rester dans les rails d'alimentation de Donc, si vous alimentez votre amplificateur avec des rails de +/- 12V, vous ne pourrez peut-être pas mesurer la différence entre deux signaux avec un décalage en mode commun de 15V, même si la différence entre les deux signaux n'est que de 20mV. Par exemple, si vos deux signaux sont complètement DC et sont:

V1 = 15 + 0,010

V2 = 15 - 0,010

Vo = V1 - V2 = 0,020

Vous ne seriez pas en mesure de les mesurer si votre amplificateur d'instrumentation avait une plage de mode commun de +/- 12V.

Disons qu'un circuit a deux entrées, $v_1(t)$ et $v_2(t)$, nous pouvons décomposer mathématiquement cela en une partie de mode commun et différentielle , ce qui rend les deux circuits ci-dessous équivalents:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Pour que ces circuits soient équivalents, nous devons avoir

$V_{cm} = \frac{V_1+V_2}{2}$

$V_d = V_1 - V_2$.

Et nous appelons $V_{cm}$la tension de mode commun , et nous appelons$V_d$la tension différentielle .

Pourquoi c'est important?

Lorsque nous parlons d'amplis d'instrumentation, nous préférons exprimer l'entrée en termes de mode commun et différentiel car les amplis internes sont conçus pour avoir un gain élevé pour les signaux différentiels et idéalement aucune réponse aux signaux de mode commun.

C'est

$V_{o-d} = A V_{i-d}$

où $V_{o-d}$ est le signal différentiel à la sortie, $V_{i-d}$est le signal différentiel à l'entrée et A est le gain de l'amplificateur.

et

$V_{o-cm} = V$

où V est une tension non liée aux entrées.

la tension de mode commun n'est rien d'autre que l'offset auquel le signal diff se déplace au-dessus d'une référence commune, c'est-à-dire la terre. Ainsi, la tension CM a une signification du point de vue du fonctionnement de l'ampli op mais elle n'a aucun impact sur le signal diff interprété @ le récepteur car le récepteur mesure simplement la différence entre les deux signaux.