Il differenziale nei circuiti di condizionamento

(la videolezione) Il segnale proveniente da un sensore può essere trasmesso in due modi principali: single-ended o differenziale. La scelta tra i due influisce notevolmente sulle prestazioni del sistema, specialmente per quanto riguarda l'immunità al rumore e le distanze di trasmissione.

In un sistema single-ended, il segnale viene trasmesso su un singolo conduttore rispetto a un riferimento comune, che solitamente è la massa (ground). Questo significa che il ricevitore misura la differenza di tensione tra il conduttore del segnale e la massa.

Il principale svantaggio di questa configurazione è la sua vulnerabilità alle interferenze. Il conduttore di segnale, agendo come un'antenna, può captare rumori elettromagnetici e interferenze (come ronzii a 50/60 Hz dalla rete elettrica) che si sommano direttamente al segnale utile. Poiché il rumore e il segnale viaggiano sullo stesso filo, il ricevitore non è in grado di distinguerli. Questo fenomeno è noto come rumore di modo comune, in quanto il rumore si presenta su entrambi i conduttori (segnale e massa). La problematica si aggrava con l'aumentare della lunghezza del cavo o in ambienti con alte interferenze, rendendo i segnali single-ended inadatti per lunghe distanze o applicazioni ad alta precisione.

I segnali differenziali, invece, utilizzano due conduttori per trasmettere le informazioni. Il segnale viene inviato in due versioni: una normale (segnale positivo o V+) e una invertita (segnale negativo o V-). Il ricevitore misura la differenza di tensione tra i due conduttori (Vd​=V+ − V−).

L'immunità al rumore dei segnali differenziali si basa sulla cancellazione del rumore di modo comune. Quando un'interferenza elettromagnetica colpisce il cavo, induce lo stesso rumore su entrambi i conduttori (+ e -). Poiché il ricevitore calcola la differenza tra i due segnali, il rumore, essendo presente su entrambi i fili con la stessa ampiezza e fase, viene sottratto e virtualmente annullato. Solo il segnale utile, che ha polarità opposta sui due fili, viene amplificato. Questo approccio offre numerosi vantaggi:

Immunità al rumore: I segnali differenziali sono estremamente resistenti alle interferenze, rendendoli ideali per lunghe distanze e ambienti rumorosi.

Alte velocità: In ambito digitale, possono supportare velocità di trasmissione dati molto elevate, poiché il rumore non degrada il segnale.

Lo scopo di un amplificatore differenziale è quello di accettare in ingresso segnali flottanti e di amplificare soltanto la differenza di potenziale fra due punti, anche se nessuno di essi è il punto comune del sistema.  Un amplificatore differenziale con eccellenti prestazioni e molto usato nella pratica può essere ottenuto mediante la configurazione in basso. Questo circuito è noto anche come amplificatore per strumentazione (instrumentation amplifier).