¿Cómo ayudan los amplificadores diferenciales a reducir el ruido?

Los amplificadores diferenciales (idealmente) eliminan el ruido de modo común. Los amplificadores diferenciales reales siempre tienen una pequeña falta de coincidencia entre las entradas positivas y negativas, por lo que CMRR se da como una figura de mérito.

Cualquier amplificador operacional genérico puede configurarse como un amplificador diferencial (utilizando resistencias externas discretas), pero un chip comercializado como differential amplifier está optimizado para manejar señales diferenciales. Entre otras cosas, las redes de resistencias serán internas y se adaptarán mejor a la temperatura que a las resistencias discretas.

En realidad, no proporciona la misma señal a ambas entradas. Una señal diferencial es diferente a una señal de un solo extremo. Una señal de un solo extremo utiliza el terreno como referencia, pero las señales diferenciales incluyen su propia referencia.

Si piensa usar un DMM de mano para medir el voltaje de una señal, generalmente conectará el cable negativo del DMM a la tierra del sistema. Eso es single-ended de medición, porque solo necesita colocar el cable positivo para realizar la medición. Ahora imagine que desea medir solo el voltaje caído a través de una resistencia pullup bajo alguna condición, mueva el cable negativo a un extremo de la resistencia y el cable positivo al otro extremo de la resistencia. Eso es una medida de differential .

Algunas fuentes de señal deben ser diferenciales. Eche un vistazo a Wien Bridge , por ejemplo, esta es una disposición comúnmente utilizada en celdas de carga de galgas extensiométricas y otros transductores.

El enrutamiento de conexión adecuado es importante para garantizar que cualquier ruido inyectado sea principalmente de modo común. Una conexión típica de la placa de circuito impresa enrutaría la señal sensible como un differential pair , con las rutas de PCB positivas y negativas corriendo una junto a otra. Cuando se usan cables aislados en lugar de una disposición de PCB, como en una configuración de prueba de banco de laboratorio, se puede usar un twisted pair de cables.

Si se inyecta ruido en una ruta y no en la otra, eso no es un ruido de modo común, y tal configuración no se beneficiaría del rechazo de ruido de modo común del amplificador diferencial.

Lo que sugiere sobre el uso de un amplificador diferencial para amplificar una señal de ruido, está relacionado con una configuración de bucle de control llamada feedforward (consulte enlace ), tratando la fuente de ruido como una señal para corregir otra etapa.

Supongamos que tiene alguna señal, conectada por un par de cables, a un amplificador diferencial:

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

¿Cómo podríamos describir la corriente en estos cables? Una forma es simplemente medir la corriente en A, y la corriente en B.

Alternativamente, pero de manera equivalente, podemos pensar en una corriente de modo común y una corriente de modo diferencial . Las corrientes de modo diferencial son aquellas en las que una corriente en A está acompañada por una corriente igual pero opuesta en B. Por ejemplo, si hay 1 mA en A y -1 mA en B, es una corriente de modo puramente diferencial de 2 mA.

Las corrientes de modo común son corrientes que son iguales en cada conductor. Si hay 1mA en A, y también 1mA en B, es una corriente de modo puramente común de 1mA.

En la práctica, la corriente en cualquier momento será una mezcla de las dos. Si medimos 4mA en A y 2mA en B, entonces la corriente de modo diferencial es 2mA (la diferencia de los dos) y la corriente de modo común es de 3mA (el promedio de los dos). Formalmente:

$$ I_ \ text {diferencial} = I_A - I_B \\ I_ \ text {common} = \ frac {I_A + I_B} {2} $$

¿Por qué es esto útil? La señal, como la he dibujado, solo puede crear corrientes diferenciales en A y B. No tiene conexión con nada más, por lo que, según las leyes de Kirchoff, cualquier corriente que entre en el lado A debe salir por el lado B.

Pero ¿qué pasa con el ruido? El ruido puede acoplarse a este sistema a través de una inductancia o capacitancia mutua. Si la impedancia a A y B es igual desde la perspectiva de la fuente de ruido, entonces cualquier corriente que resulte del ruido será igual en A y B, y por lo tanto, en modo común. Este es un punto realmente importante: para que una medida diferencial obtenga algún beneficio de la reducción de ruido, las impedancias de las dos líneas diferenciales deben ser iguales. Cualquier desequilibrio de impedancia permite que el ruido se acople al modo diferencial, agregando ruido a la señal. Las impedancias iguales también aseguran que las corrientes iguales generen voltajes iguales, en cuyo punto se vuelve irrelevante si su amplificador es un amplificador de voltaje o corriente: una corriente de modo común genera un voltaje de modo común por lo que se rechazará de cualquier manera.

Un amplificador diferencial amplifica idealmente solo el modo diferencial. En la práctica, el modo común no se rechaza por completo, el CMRR, o proporción de rechazo de modo común, especificará la medida en que esto es cierto en la hoja de datos. Incluso para los mercados de productos básicos, esto puede ser bastante alto. Por ejemplo, TL072 especifica un CMRR mínimo de 75dB. Por lo tanto, en la medida en que podamos mantener el equilibrio de impedancia en todas las conexiones (que en realidad es la parte difícil), el ruido será de modo común y, por lo tanto, se atenuará en 75dB en relación con la señal.

@widdalightsout, tus pensamientos sobre el rechazo del ruido son completamente correctos.

Sobre tu pregunta final ... una posible razón sensible puede ser solo para investigar el ruido ... ¡Feliz año nuevo!

@Phil Frost, me hiciste comenzar a pensar en cómo se pueden restar (cancelar) dos corrientes iguales ...

Aquí tenemos un bucle ... y no es correcto hablar de restar corrientes en un bucle ... y voltajes, por un nodo. A la inversa, podemos restar corrientes por un nodo ( current summer > ... ( voltaje de verano ) ...

Al restar dos corrientes iguales por un nodo, la corriente entra y la otra sale del nodo ... y la salida es corriente cero ... y un voltaje que puede ser amplificado por un humilde amplificador de un solo extremo ( un ejemplo típico es el punto de suma del amplificador inversor op-amp. Aquí las dos corrientes fluyen en la misma dirección hacia el amplificador diferencial.

En un nodo, ambas corrientes se restarán, pero aún existen; de manera similar, en un bucle, ambos voltajes se cancelarán ... pero aún existen en el bucle ... En su explicación, ambas corrientes han desaparecido y no hay corriente en la línea ...

Si las corrientes fluyen en diferentes cables, entonces debemos asumir que este amplificador diferencial tiene bajas resistencias de entrada de un solo extremo (entre cada entrada y tierra) y las corrientes pasan a través de ellas a tierra. Pero en este caso no se cancelan las corrientes mismas; se convierten en voltajes (de un solo extremo) que se restan en el bucle de entrada del amplificador. Entonces, "las corrientes fluirán, porque aunque puede tener un amplificador con una impedancia de entrada alta, nunca encontrará uno con una impedancia de entrada infinita", pero si se refiere a la impedancia de entrada de extremo único (no diferencial) ... e incluso en este caso, serán causados por voltajes inducidos (EMI). Entonces, ¿por qué no hablar directamente sobre voltajes en lugar de corrientes?