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经典架构新玩法:用单端仪表放大器实现全差分输出

时间:2019-05-13 作者:Rusty Juszkiewicz,ADI公司 阅读:
在交叉连接电路中,输出的共模不会受电阻对失配的影响,因此始终都能实现真正的差分输出。而且,差分信号衰减是可能存在的,这就消除了采用漏斗放大器的必要性。最后,输出的极性由增益电阻的位置决定,从而为用户增加了更多的灵活性。

问:我们可以使用仪表放大器生成差分输出信号吗?

答:随着对精度要求的不断提高,全差分信号链元件因出色的性能脱颖而出,而且其噪声抑制的主要优点可以被信号路由所利用。由于输出会拾取这种噪声,因此经常会出现误差并在信号链中进一步衰减。此外,差分信号的范围可以达到同一电源上单端信号的两倍。因此,全差分信号的信噪比(SNR)更高。传统的三运放仪表放大器有许多优点,包括共模信号抑制、高输入阻抗,以及精确(可调)的增益。但在需要全差分输出信号时,它就无能为力了。人们已经使用一些方法,用标准元件实现全差分仪表放大器。但它们有着各自的缺点。

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图1:传统的仪表放大器。

一种技术是使用运算放大器驱动参考引脚,正输入为共模,负输入为将输出连接在一起的两个匹配电阻的中心。该配置使用仪表放大器输出作为正输出,运算放大器输出作为负输出。由于两个输出是不同的放大器,因此这些放大器之间动态性能的失配会极大地影响电路的整体性能。此外,两个电阻的匹配使输出共模随输出信号移动,可能导致失真。在该电路的设计中,选择放大器时必须考虑稳定性,并且运算放大器上可能需要一个反馈电容,用于限制电路的总带宽。最后,该电路的增益范围取决于仪表放大器。因此,不可能实现小于1的增益。

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图2:使用外部运算放大器产生反相输出。

另一种技术是将两个仪表放大器与所交换的输入并联。与前一个电路相比,这种配置具有更好的匹配驱动电路和频率响应,但它不能实现小于2的增益。该电路还需要精密的匹配增益电阻,以获得纯差分信号。与先前的架构一样,这些电阻的失配会导致输出共模电平变化。

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图3:使用第二仪表放大器产生反相输出。

这两种方法在实现增益及匹配元件的要求方面存在限制。

新型交叉连接技术

如图4所示,通过交叉连接两个仪表放大器并使用单个增益电阻,这种新电路可提供具有精密增益或衰减的全差分输出。通过将两个参考引脚连接在一起,用户可以根据需要调整输出共模。

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图4:交叉连接技术——产生差分仪表放大器输出的解决方案。

In_A的增益由以下等式推出。由于输入电压出现在仪表放大器2的输入缓冲器的正端子上,而电阻R2和R3另一端的电压为0V,因此这些缓冲器的增益遵循同相运算放大器配置公式。同样,对于仪表放大器1的输入缓冲器,增益遵循反相运算放大器配置。由于差分放大器中的所有电阻都匹配,因此缓冲器输出的增益为1。

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图5:仪表放大器内部的匹配电阻是交叉连接技术的关键。

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根据对称性原则,如果在In_B施加电压V2且In_A接地,则结果如下:

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将这两个结果相加得到电路的增益。

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增益电阻R3和R2设定电路的增益,并且只需要一个电阻来实现全差分信号。正/负输出取决于安装的电阻。不安装R3将导致增益公式中的第二项为零。由此可得,增益为2×R1/R2。不安装R2会导致增益公式中的第一项为零。由此可得,增益为-2×R1/R3。需要注意的是增益纯粹是一个比率,因此可以实现小于1的增益。请记住,由于R2和R3对增益有相反的影响,所以,使用两个增益电阻会使第一级增益高于输出增益。如果在选择电阻值时不小心,会加大第一级运算放大器在输出端引起的偏差。

为了演示这个电路的实际运用情况,我们把两个AD8221仪表放大器连接起来。数据手册列出R1为24.7kΩ,因此当R2为49.4kΩ时,可实现等于1的增益。

CH1是In_A的输入信号,CH2是VOUT_A,CH3是VOUT_B。输出A和B匹配且反相,差值在幅度上等于输入信号。

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图6:使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号,增益=1时的测量结果。

接下来,将49.4kΩ增益电阻从R2移至R3,电路的新增益为-1。现在Out_A与输入反相,输出之间的差值在幅度上等于输入信号。

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图7:使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号,增益=-1时的测量结果。

如前所述,其它技术的一个限制是无法实现衰减。根据增益公式,使用R2=98.8kΩ,电路会使输入信号衰减两倍。

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图8:使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号,增益=1/2时的测量结果。

最后,为了显示高增益,选择R2=494Ω以实现G=100。

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图9:使用交叉连接技术产生差分仪表放大器输出信号,增益=100时的测量结果。

该电路的性能表现符合增益公式的描述。为了获得最佳性能,使用此电路时应采取一些预防措施。增益电阻的精度和漂移会增加仪表放大器的增益误差,因此要根据误差要求选择合适的容差。由于仪表放大器Rg引脚上的电容可能导致较差的频率性能,因此如果需要高频性能,应注意这些节点。此外,两个仪表放大器之间的温度失配会因失调漂移导致系统失调,因此在布局和加载方面要小心。使用双通道仪表放大器,如AD8222,有助于克服这些潜在的问题。

结论

交叉连接技术可保持仪表放大器所需特性,同时提供附加功能。尽管本文讨论的所有示例都实现了差分输出,但在交叉连接电路中,输出的共模不会受电阻对失配的影响,与其它架构不同。因此,始终都能实现真正的差分输出。而且,如增益公式所示,差分信号衰减是可能存在的,这样就不必采用漏斗放大器,而从前这是必不可少的。最后,输出的极性由增益电阻的位置决定(使用R2或R3),为用户增加了更多的灵活性。

(原文刊登于ASPENCORE旗下Planet Analog网站,参考链接:A New Spin on a Classic Architecture: Achieving a Fully Differential Output Using Single-Ended Instrumentation Amplifiers

本文为《电子技术设计》2019年5月刊杂志文章。

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