使用單端儀表放大器實(shí)現(xiàn)全差分輸出

Matthew “Rusty” Juszkiewicz

隨著精度的不斷提升，全差分信號(hào)鏈組件的性能越來越受歡迎，其中一個(gè)主要優(yōu)勢是噪聲抑制，可以通過信號(hào)路由拾取。由于輸出會(huì)拾取這種噪聲，因此誤差會(huì)很常見，因此在信號(hào)鏈中會(huì)進(jìn)一步衰減。此外，在同一電源上，差分信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)兩倍于單端信號(hào)的信號(hào)范圍。因此，對(duì)于全差分信號(hào)，信噪比（SNR）更高。經(jīng)典的三運(yùn)放儀表放大器（儀表放大器）具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括共模信號(hào)抑制、高輸入阻抗和精確（可調(diào)）增益;但是，當(dāng)需要全差分輸出信號(hào)時(shí)，它就不足了。已經(jīng)使用了幾種方法來實(shí)現(xiàn)使用標(biāo)準(zhǔn)元件的全差分儀表放大器。但是，它們也有其自身的缺點(diǎn)。

圖1.經(jīng)典儀表放大器。

一種技術(shù)是使用運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)引腳，正輸入為共模，負(fù)輸入位于兩個(gè)將輸出連接在一起的匹配電阻的中心。此配置使用儀表放大器輸出作為正輸出，將運(yùn)算放大器輸出用作負(fù)輸出。由于兩個(gè)輸出是不同的放大器，這些放大器之間的動(dòng)態(tài)性能不匹配會(huì)極大地影響整體電路性能。此外，兩個(gè)電阻的匹配會(huì)導(dǎo)致輸出共模隨輸出信號(hào)移動(dòng)，從而導(dǎo)致失真。設(shè)計(jì)該電路時(shí)，在選擇放大器時(shí)必須考慮穩(wěn)定性，并且可能需要在運(yùn)算放大器上安裝反饋電容，這限制了電路的總帶寬。最后，該電路的增益范圍基于儀表放大器。因此，小于 1 的增益是無法實(shí)現(xiàn)的。

圖2.使用外部運(yùn)算放大器產(chǎn)生反相輸出。

另一種技術(shù)是將兩個(gè)儀表放大器并聯(lián)，并聯(lián)開關(guān)輸入。與以前的電路相比，這種配置具有更好的匹配驅(qū)動(dòng)電路和頻率響應(yīng)。但是，它不能獲得少于兩個(gè)的收益。該電路還需要精密匹配增益電阻來實(shí)現(xiàn)純差分信號(hào)。這些電阻的失配會(huì)導(dǎo)致輸出共模電平發(fā)生偏移，其影響與以前的架構(gòu)相同。

圖3.使用第二個(gè)儀表放大器產(chǎn)生反相輸出。

這兩種方法對(duì)可實(shí)現(xiàn)的增益以及對(duì)匹配元件的要求都有限制。

新的交叉連接技術(shù)

如圖4所示，通過交叉連接兩個(gè)儀表放大器，該新電路使用單個(gè)增益電阻提供具有精確增益或衰減的全差分輸出。通過將兩個(gè)基準(zhǔn)引腳連接在一起，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整輸出共模。

圖4.交叉連接技術(shù)—產(chǎn)生差分儀表放大器輸出的解決方案。

In_A的增益由以下公式得出。由于輸入電壓出現(xiàn)在儀表放大器2輸入緩沖器的正端，而電阻R2和R3的另一端為0 V，因此這些緩沖器的增益遵循同相運(yùn)算放大器配置的公式。類似地，對(duì)于儀表放大器1的輸入緩沖器，增益遵循反相運(yùn)算放大器配置。由于差動(dòng)放大器中的所有電阻都匹配，因此緩沖器輸出的增益是一致的。

圖5.儀表放大器內(nèi)部的匹配電阻是交叉連接技術(shù)的關(guān)鍵。

通過對(duì)稱性，如果在In_B施加電壓V2，在地施加In_A，則結(jié)果如下：

將兩個(gè)結(jié)果結(jié)合起來，得到電路的增益。

增益電阻R3和R2設(shè)置電路的增益，只需一個(gè)即可實(shí)現(xiàn)全差分信號(hào)。正/負(fù)輸出取決于安裝的電阻器。不安裝R3將導(dǎo)致增益方程中的第二項(xiàng)變?yōu)榱?。因此，所得增益為R2/R1×2。不安裝R2將導(dǎo)致增益方程中的第一個(gè)項(xiàng)變?yōu)榱?。因此，所得增益為R2/R1×3。需要注意的另一件事是，增益純粹是一個(gè)比率，因此可以實(shí)現(xiàn)小于 2 的增益。請(qǐng)記住，由于R3和R<>對(duì)增益的影響相反，包括兩個(gè)增益電阻會(huì)使第一級(jí)的增益高于輸出。如果在選擇電阻值時(shí)不小心，這可能會(huì)加劇第一級(jí)運(yùn)算放大器引起的輸出失調(diào)。

為了演示該電路的使用，將兩個(gè)儀表放大器AD8221連接在一起。數(shù)據(jù)手冊(cè)列出的R1為24.7 kΩ，因此當(dāng)R2為49.4 kΩ時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)<>的增益。

CH1 是 In_A 處的輸入信號(hào)，CH2 是 V外_A，CH3 為 V外紅細(xì)胞輸出A和B匹配且異相，并且與輸入信號(hào)的幅度差相等。

圖6.增益 = 1 的測量結(jié)果使用交叉連接技術(shù)生成差分儀表放大器輸出信號(hào)。

接下來，通過將49.4 kΩ增益電阻從R2移至R3，電路的新增益為–1?，F(xiàn)在Out_A與輸入異相，輸出之間的差等于輸入信號(hào)的幅度。

圖 7.增益 = –1 的測量結(jié)果，使用交叉連接技術(shù)生成差分放大器內(nèi)輸出信號(hào)。

如前所述，其他技術(shù)的一個(gè)限制是無法實(shí)現(xiàn)衰減。按照增益公式，使用R2 = 98.8 kΩ，電路將輸入信號(hào)衰減兩倍。

圖 8.增益 = 1/2 的測量結(jié)果，使用交叉連接技術(shù)生成差分儀表放大器輸出信號(hào)。

最后，為了證明高增益，選擇R2 = 494 Ω來實(shí)現(xiàn)G = 100。

圖9.增益 = 100 的測量結(jié)果采用交叉連接技術(shù)生成差分儀表放大器輸出信號(hào)。

電路執(zhí)行如增益方程所述。為了獲得最佳性能，使用此電路時(shí)應(yīng)采取一些預(yù)防措施。增益電阻的精度和漂移會(huì)增加儀表放大器的增益誤差，因此根據(jù)誤差要求選擇合適的容差。由于儀表放大器Rg引腳上的電容會(huì)導(dǎo)致頻率性能不佳，因此如果需要高頻性能，則應(yīng)小心這些節(jié)點(diǎn)。此外，兩個(gè)儀表放大器之間的溫度不匹配會(huì)因失調(diào)漂移而導(dǎo)致系統(tǒng)失調(diào)，因此此處應(yīng)注意布局和負(fù)載。使用像AD8222這樣的雙通道儀表放大器有助于克服這些潛在問題。

結(jié)論

交叉連接技術(shù)在保持儀表放大器所需特性的同時(shí)提供附加功能。盡管討論的所有示例都實(shí)現(xiàn)了差分輸出，但在交叉連接電路中，輸出的共模不像其他架構(gòu)那樣受到電阻對(duì)失配的影響。因此，始終可以實(shí)現(xiàn)真正的差分輸出。此外，如增益公式所示，差分信號(hào)衰減是可能的，這消除了以前需要漏斗放大器的需要。最后，輸出的極性由增益電阻的位置（使用R2或R3）決定，這為用戶提供了更大的靈活性。

審核編輯：郭婷