|
作者：Darwin Tolentino和Sandro Herrera 差分信號適合于需要大信噪比、高抗擾度和較低二次諧波失真的電路，例如高性能ADC驅動(dòng)和高保真度音頻信號處理等應用�！赌M對話(huà)》曾刊載過(guò)一篇相關(guān)文章——"多功能、低功耗、精密單端差分轉換器"1，其中介紹了一種有很大改進(jìn)的單端轉差分電路，它具有很高輸入阻抗，最大輸入偏置電流為2 nA，最大失調 (RTI) 為60 μV，最大失調漂移為0.7 μV/°C。性能改進(jìn)是通過(guò)在反饋環(huán)路中將OP1177與差分增益為1的AD8476級聯(lián)而實(shí)現的。 
圖1. 改進(jìn)的單端轉差分電路 然而，許多應用需要更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，例如溫度和壓力傳感器輸出的信號調理等。如果還能調節共模，那么該電路將能非常方便地與許多ADC接口，其基準電壓決定滿(mǎn)量程范圍。
圖2. 具有改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍的單端轉差分電路 將環(huán)路內部差分放大器的增益配置為大于1的值，可提高電路的輸出動(dòng)態(tài)范圍（圖2）。輸出通過(guò)下式計算：
其中RG保持開(kāi)路，電路的總增益為2。A1 (OP1177) 的輸出通過(guò)下式計算：
注意：VREF始終增加到OP1177的輸出上，從而會(huì )限制其輸出裕量。多數應用中，VREF（輸出共模）設置在電源的中點(diǎn)，以提供最大輸出動(dòng)態(tài)范圍。環(huán)路內部增益大于1的差分放大器，例如2中的ADA4940（增益為2），可降低A1輸出電壓，降低倍數為A2的差分增益，這樣便有助于避免圖A1輸出飽和。采用±5 V電源時(shí)，OP1177的典型輸出擺幅為4.1 V，因此，當VREF設置為0時(shí)，圖2所示電路的差分輸出電壓擺幅約為±8 V。將A2增益配置為3可進(jìn)一步改善輸出動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現電路的最大輸出擺幅。另一個(gè)可用增益為1、2和3的放大器ADA4950，也適合用作A2。 可調輸出共模 可以修改電路，使輸出共�？烧{且獨立于輸入信號的共模。對于輸入以地為基準且需要轉換為具有高共模的差分信號以與ADC接口的單電源應用，這樣做可帶來(lái)極大的靈活性和便利。 實(shí)現方法是在輸入端增加兩個(gè)電阻R1和R2，R2連接到VOCM。若需要，可以使用輸入放大器A1的雙通道版本OP2177，對于非常低的輸入偏置電流，可將第二放大器用作輸入緩沖器。
圖3(a) 改進(jìn)的單端差分轉換器，具有可調共模。
圖3(b) 輸入和輸出圖，紅線(xiàn)為VOP，黃線(xiàn)為VON，藍線(xiàn)為輸入。共模為0 V。
圖3(c) 輸入和輸出圖，紅線(xiàn)為VOP，黃線(xiàn)為VON，藍線(xiàn)為輸入。共模為2.5 V。 在圖1所示電路中，輸入以VREF為基準。參見(jiàn)圖3所示電路，輸入以地為基準，直接獲取后轉換為差分輸出�，F在可以調節VOCM以使共模輸出偏移，而輸入仍然以地為基準。VOCM可以設為基準電壓源的一半或轉換器的中間電平。VOCM基本上像VIN一樣，用作另一個(gè)輸入。所選電阻值應滿(mǎn)足下式： .
通過(guò)疊加，當VIN為0時(shí)，輸出值與VOCM相同。由于VOCM是設置輸出共模的值，因此差分輸出為0。若R1 = RG且R2 = RF，則輸出電壓由下式給出：
帶寬和穩定性 兩個(gè)放大器構成一個(gè)伺服環(huán)路配置的復合差分輸出運算放大器。OP1177/OP2177的開(kāi)環(huán)增益和ADA4940的差分增益合并，得到電路的總開(kāi)環(huán)增益，其定義電路的總帶寬。其極點(diǎn)的合并則使環(huán)路的相移增加。A2使用較高增益時(shí)，會(huì )降低其帶寬，并可能影響電路整體的穩定性。電路設計人員須檢查電路整體的頻率響應，評估是否需要補償。為了確保反饋系統的穩定性，經(jīng)驗法則是隨頻率而變化的合并開(kāi)環(huán)增益必須以–20 dB/十倍頻程的滾降速率跨過(guò)單位增益。這在最小增益（2倍增益）的應用中更為重要，因為環(huán)路增益處于最大值，相位裕量最差。提高總增益，從而減小帶寬并增加反饋環(huán)路的相位裕量，也能改善穩定性。因為環(huán)路增益減小，它會(huì )在較低的頻率跨過(guò)單位增益。環(huán)路增益由下式計算：
反饋系數β中有一個(gè) ，這 是因為輸出為差分，而反饋僅從差分輸出之一中獲得。ADA4940在2倍增益時(shí)的帶寬為50 MHz，而OP1177的單位增益帶寬約為4 MHz。受限于OP1177和閉環(huán)增益，圖3所示電路在帶寬約為1 MHz時(shí)可穩定工作。如之前文章中所指出的，當使用差分放大器無(wú)法滿(mǎn)足穩定性條件時(shí)，可以使用一個(gè)限帶電容，如圖3(a)所示。該電容與反饋環(huán)路內部的 RF形成一個(gè)積分器，將電路整體的帶寬限制為：
可以適當選擇電容和反饋電阻，使總帶寬受上式限制。 參考資料： 1Sandro Herrera和Moshe Gerstenhaber。"多功能、低功耗、精密單端差分轉換器" 模擬對話(huà)，第46卷，第4期。 作者 Darwin Tolentino [darwin.tolentino@analog.com] 是菲律賓ADI公司線(xiàn)性精密技術(shù)部門(mén)的高級測試開(kāi)發(fā)工程師。他曾在產(chǎn)品與測試工程部門(mén)工作，為放大器和線(xiàn)性產(chǎn)品（包括轉換器）開(kāi)發(fā)了測試解決方案。他于2000年加入ADI公司，在半導體行業(yè)已有17年的經(jīng)驗。 他的興趣包括歷史和模擬電路設計。 Sandro Herrera [sandro.herrera@analog.com]是美國馬薩諸塞州威明頓市集成放大器產(chǎn)品 (IAP) 部門(mén)的一名電路設計工程師。他目前主要從事固定、可變或可編程增益的全差分放大器設計工作。Sandro擁有麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位 (BSEE) 和電氣工程碩士學(xué)位 (MSEE)。他于2005年8月加入ADI公司。 |
