【導(dǎo)讀】差分信號(hào)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(qū)動(dòng)和高保真度音頻信號(hào)處理等應(yīng)用。《模擬對話》曾刊載過一篇相關(guān)文章——"多功能、低功耗、精密單端差分轉(zhuǎn)換器"1，其中介紹了一種有很大改進(jìn)的單端轉(zhuǎn)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(diào) (RTI) 為60 μV，最大失調(diào)漂移為0.7 μV/°C。性能改進(jìn)是通過在反饋環(huán)路中將OP1177與差分增益為1的AD8476級(jí)聯(lián)而實(shí)現(xiàn)的。
圖1. 改進(jìn)的單端轉(zhuǎn)差分電路
然而，許多應(yīng)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(hào)調(diào)理等。如果還能調(diào)節(jié)共模，那么該電路將能非常方便地與許多ADC接口，其基準(zhǔn)電壓決定滿量程范圍。
圖2. 具有改進(jìn)動(dòng)態(tài)范圍的單端轉(zhuǎn)差分電路
將環(huán)路內(nèi)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）。輸出通過下式計(jì)算：
其中RG保持開路，電路的總增益為2。A1 (OP1177) 的輸出通過下式計(jì)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(shù)應(yīng)用中，VREF（輸出共模）設(shè)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(nèi)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(shù)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(dāng)VREF設(shè)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(xiàn)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(diào)輸出共模
可以修改電路，使輸出共模可調(diào)且獨(dú)立于輸入信號(hào)的共模。對于輸入以地為基準(zhǔn)且需要轉(zhuǎn)換為具有高共模的差分信號(hào)以與ADC接口的單電源應(yīng)用，這樣做可帶來極大的靈活性和便利。
實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換器，具有可調(diào)共模。
圖3(b) 輸入和輸出圖，紅線為VOP，黃線為VON，藍(lán)線為輸入。共模為0V。
圖3(c) 輸入和輸出圖，紅線為VOP，黃線為VON，藍(lán)線為輸入。共模為2.5 V。
在圖1所示電路中，輸入以VREF為基準(zhǔn)。參見圖3所示電路，輸入以地為基準(zhǔn)，直接獲取后轉(zhuǎn)換為差分輸出。現(xiàn)在可以調(diào)節(jié)VOCM以使共模輸出偏移，而輸入仍然以地為基準(zhǔn)。VOCM可以設(shè)為基準(zhǔn)電壓源的一半或轉(zhuǎn)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(yīng)滿足下式：
通過疊加，當(dāng)VIN為0時(shí)，輸出值與VOCM相同。由于VOCM是設(shè)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(wěn)定性
兩個(gè)放大器構(gòu)成一個(gè)伺服環(huán)路配置的復(fù)合差分輸出運(yùn)算放大器。OP1177/OP2177的開環(huán)增益和ADA4940的差分增益合并，得到電路的總開環(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(wěn)定性。電路設(shè)計(jì)人員須檢查電路整體的頻率響應(yīng)，評估是否需要補(bǔ)償。為了確保反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，經(jīng)驗(yàn)法則是隨頻率而變化的合并開環(huán)增益必須以–20 dB/十倍頻程的滾降速率跨過單位增益。這在最小增益（2倍增益）的應(yīng)用中更為重要，因?yàn)榄h(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(wěn)定性。因?yàn)榄h(huán)路增益減小，它會(huì)在較低的頻率跨過單位增益。環(huán)路增益由下式計(jì)算：
反饋系數(shù)β中有一個(gè)1/2 ，這 是因?yàn)檩敵鰹椴罘郑答亙H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(wěn)定工作。如之前文章中所指出的，當(dāng)使用差分放大器無法滿足穩(wěn)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(nèi)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(dāng)選擇電容和反饋電阻，使總帶寬受上式限制。
參考電路
1Herrera, Sandro and Moshe Gerstenhaber. "多功能、低功耗、精密單端差分轉(zhuǎn)換器.模擬對話，第46卷，第4期。
推薦閱讀：
