如何配置雙通道差動放大器——不需任何外部元件來提供精密絕對值輸出

傳統(tǒng)上，精密半波和全波整流器均采用精心挑選的元件，這些元件包括高速運算放大器、快速二極管和精密電阻。元件數(shù)量繁多致使這種解決方案成本很高，而且無法擺脫元件間交越失真、溫度漂移變化的困擾。

今天，我們分享一篇ADI Fellow Moshe Gerstenhaber撰寫的文章，文中介紹了一種方法——如何配置雙通道差動放大器——不需任何外部元件來提供精密絕對值輸出。這種創(chuàng)新方案可以比傳統(tǒng)方案實現(xiàn)更高精度、更低成本和功耗。

如圖1所示，差動放大器包括一個運算放大器和四個電阻，它們配置成一個減法器。低成本單芯片差動放大器內(nèi)置激光晶圓調(diào)整電阻，提供極高增益精度、低失調(diào)、低失調(diào)漂移、高共模抑制以及比分立替代器件更出色的整體性能。

傳統(tǒng)絕對值電路

圖2所示為常用全波整流器電路示意圖。這種設計依賴兩個快速運算放大器和五個精密電阻來獲得高性能。當輸入信號為正時，A1的輸出為負，所以D1反向偏置。D2正向偏置，從而關閉A1附近經(jīng)過R2的反饋環(huán)路并形成反相放大器。A2將乘以增益-2的A1輸出和乘以增益-1的輸入信號相加，得到凈增益+1。當輸入信號為負時，D1正向偏置，從而關閉A1附近的反饋環(huán)路。D2反向偏置，故不導通。A2將輸入信號反相，產(chǎn)生正輸出。因而，A2的輸出為正電壓，表示正負輸入的絕對值。

圖2. 標準全波整流器

這種設計有幾個固有的性能和系統(tǒng)缺點，如成本、交越失真、增益誤差及噪聲等。該設計要求雙電源和許多高性能元件，進一步提高了成本和復雜度。由于輸入信號跨越0 V + ΔV和0 V – ?V，A1的輸出必須在–VBE至 +VBE之間擺動，所以響應時間可能較長。高速運算放大器和二極管可以幫助減輕這個問題，不過代價是更高的功耗。絕對值輸出的增益精度取決于R1、R2、R3、R4和R5的匹配程度。甚至一個電阻的小量失配，也會造成正負絕對值峰值之間的巨大誤差。整體噪聲增益為6，放大了運算放大器噪聲、失調(diào)和漂移效應。

改進的絕對值電路

圖3所示為更簡單、更有效的絕對值電路，只需一個AD82774雙通道差動放大器和一個正電源。當輸入信號為正時，A1充當電壓跟隨器。A2兩個輸入端的電位與輸入信號相同，所以A2只是將正信號傳遞到輸出端。當輸入信號為負時，A1輸出端處于0 V，而A2 反轉輸入信號。最終獲得輸入信號絕對值?？稍诟哌_10 kHz的頻率下對高達±10 V的信號進行整流。如果要整流的信號非常微弱，在每個運算放大器輸出端放置一個下拉電阻可以提高0 V附近的電路性能。

這個電路看似簡單，但功能可行，這完全得益于AD8277出色的輸入輸出特性以及單電源工作能力。和大多數(shù)單電源供電應用不同，該差動放大器的輸入可在0 V 以下驅動。這允許A1的輸入端在接受負輸入信號的同時，保持0V輸出。輸入端集成ESD二極管，過壓保護能力更魯棒。圖4所示為1 kHz 20 V p-p輸入信號的輸入和輸出波形及特性。

圖4. (a) 1 kHz 20 -V p-p輸入信號的輸入和輸出 (b) 輸入與輸出特性曲線

這個改進的絕對值電路克服了傳統(tǒng)整流器設計的諸多缺陷，其價值超乎想象。其中最為突出的是減少了所需元件數(shù)：只需一個器件。取消了外部二極管，同時也消除了交越失真。激光晶圓調(diào)整電阻精確匹配，確保增益誤差低于0.02%。電路的噪聲增益只有2，噪聲、失調(diào)及漂移更低。由于采用2 V至36 V單電源供電，AD8277靜態(tài)電流低于400 μA。

結論

采用單個雙通道差動放大器構建的精密全波整流器在多個方面超越了傳統(tǒng)設計。其中最值得一提的是，取消了高性能外部元件和雙電源，成本和復雜程度均大幅降低。該差動放大器解決方案不存在交越恢復問題并經(jīng)優(yōu)化以在廣泛溫度范圍內(nèi)獲得低漂移。采用AD8277，可利用單個IC實現(xiàn)低功耗、低成本、高精密絕對值電路。

AD8277為通用型單位增益差動放大器，主要用于在要求高性能、低功耗的應用中實現(xiàn)精密信號調(diào)理。該器件不僅提供極為出色的共模抑制比(86 dB)和高帶寬，而且可將信號放大至供電軌以外。片內(nèi)電阻經(jīng)過激光調(diào)整，具有出色的增益精度和高共模抑制比(CMRR)。兩款器件的增益隨溫度漂移極低。

AD8277的共模范圍幾乎是電源電壓的兩倍，因此非常適合要求高共模電壓范圍的單電源應用。欲了解該款器件更多信息，請點擊“閱讀原文”。