广告

经典架构新玩法:用单端仪表放大器实现全差分输出

2019-05-13 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。JZdednc

DI6-F1-201905.jpgJZdednc
图1:传统的仪表放大器。JZdednc

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。JZdednc

DI6-F2-201905.jpgJZdednc

图2:使用外部运算放大器产生反相输出。JZdednc

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。JZdednc

DI6-F3-201905.jpgJZdednc
图3:使用第二仪表放大器产生反相输出。JZdednc

这两种方法在实现增益及匹配元件的要求方面存在限制。JZdednc

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。JZdednc

DI6-F4-201905.jpgJZdednc
图4:交叉连接技术——产生差分仪表放大器输出的解决方案。JZdednc

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。JZdednc

DI6-F5-201905.jpgJZdednc
图5:仪表放大器内部的匹配电阻是交叉连接技术的关键。JZdednc

DI6-E1-201905.jpgJZdednc

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:JZdednc

DI6-E2-201905.jpgJZdednc

将这两个结果相加得到电路的增益。JZdednc

DI6-E3-201905.jpgJZdednc

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。JZdednc

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。JZdednc

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。JZdednc

DI6-F6-201905.jpgJZdednc
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。JZdednc

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。JZdednc

DI6-F7-201905.jpgJZdednc
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。JZdednc

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。JZdednc

DI6-F8-201905.jpgJZdednc
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。JZdednc

最后,为了显示高增益,选择R2=494Ω以实现G=100。JZdednc

DI6-F9-201905.jpgJZdednc
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。JZdednc

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。JZdednc

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。JZdednc

(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 AmplifiersJZdednc

本文为《电子技术设计》2019年5月刊杂志文章。JZdednc

  • 学习了~
本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:艾为触觉反馈驱动AW AW86224是一款具有F0检测与追踪,内置SRAM波形空间,低功耗、小尺寸的常压线性马达驱动IC
  • 泰克在其屡获大奖的高性能示波器中增加5G功能 工程师可以使用最新5G软件,在一台示波器上诊断复杂的信号交互,减少麻烦的仪器之间关联需求。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:低压高速比较器GS87 低功耗超高速GS8743系列比较器,集成了内部迟滞,优化的系统供电范围。具有快速响应、低功耗、低输入失调电压和轨对轨输入输出等特点。内部输入迟滞消除了由于外部输入噪声电压造成的输出切换,工作温度范围为-40℃至+85℃。GS8743系列比较器工作电压为2.7到5.5V,最大输入失调电压为5mV,每通道静态电流为1.3mA,响应时间为6ns。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:车规级数字通讯隔离 Chipways汽车级电池组隔离器XL8820系列产品是同时满足AEC-Q100汽车可靠性标准和ISO 26262汽车功能安全标准的车规级隔离式通讯接口芯片。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:数字隔离器Pai122M3 荣湃数字隔离器产品采用自主知识产权的智能分压技术开发设计而成,相比同类隔离产品,该专利技术可以实现更低的功耗,更高的速率和更优的时序特性。智能分压技术相比传统隔离传输技术,采用更简洁的电路架构实现更优的隔离传输性能,采用智能分压锁存放大模块电路,替代传统架构中的高频发生电路,高频调制电路和高频解调三部分电路,因此芯片面积只有传统架构芯片面积的1/2~1/3。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:PD Sink/快充受电端 慧能泰HUSB238采用极简的USB PD Sink解决方案,旨在将传统的桶形连接器和DC插座轻松的替换成现在最流行的USB Type-C接口。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:次级控制反激PWM控 SC300x系列产品为次级控制反激PWM控制器,支持CCM/QR/DCM工作模式,其具备自适应开关频率折返功能,在整个负载的范围内获得更高的效率;IC集成自适应过流保护功能,可满足LPS(Limited Power Source)要求;各项性能均领先于同行业。
  • VIAVI携手罗德与施瓦茨推出O-RAN无线单元一致性测试解 O-RU测试管理器结合双方的测试解决方案,提供统一的用户体验
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:基于CMOS+MEMS技术 以下5项维度,向电子工程师和评审专家详细介绍中科银河芯的温湿度传感器芯片产品的技术创新情况。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:多模无线连接智能语 BL606P是博流即将推出的新产品,具有以下特点:单天线集成WI-FI、BLE、BT、Zigbee、Thread等多模无线协议,其集成度属于行业首款;集成双核RISC-V,集成AI语音以及麦克风阵列语音Codec,以及支持彩屏显示;支持最新的Matter协议,包括设备和网关
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:炬芯科技蓝牙收发一 炬芯科技ATS2831采用蓝牙5.3双模配置,支持最新的蓝牙标准,集成了蓝牙射频(RF)和基带、电源管理单元(PMU)、音频编解码器及微控制单元(MCU)等模块,集蓝牙发射和蓝牙接收功能于一体,规格完整,性能领先。发射支持双连(同时连接两个蓝牙音箱或蓝牙耳机),支持linein、USB 、SPDIF(光纤或同轴)、I2S、MIC、SD/MMC、SPI等多种音频输入源,支持全格式音频解码,支持屏显,兼容市面主流蓝牙音箱和蓝牙耳机,支持AG 16K高清通话,兼容win7/10/MAC等多种主流操作系统和主流通话软件,HFP通话端到端(dongle到音箱整个链路)延时低至60ms,经典蓝牙模式下端到端整个链路延时可以低至30ms以下,处于业界领先水平。支持双向高清语音同时传输。已大量应用于蓝牙收发一体dongle,电竞耳机,游戏机dongle,会议音箱dongle,话务耳机dongle和无线麦克风相关产品,并被绿联,安可创新等知名品牌采用。
  • “中国IC设计成就奖”提名产品简介:炬芯科技蓝牙耳穿戴 ATS3019E支持蓝牙5.3双模配置,发射功率最高达11dBm,接收灵敏度-96dBm,有效地提升了音频连接的稳定性。在常规音频播放的情况下空载功耗低至5.xmA,同时支持低延时模式。ATS3019E搭载双麦ENC算法(环境噪声消除技术),大幅提升了终端用户的通话体验。是目前市场上针对品牌客户标准版产品具有竞争力的解决方案。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了