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ADI:带可调输出共模的多功能、精细单端转差分电路提高体系动态规模

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 差分信号适合于需要大信噪比、高抗扰度和较低二次

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差分信号合适于需求大信噪比、高抗扰度和较低二次谐波失真的电路,例如高功能ADC驱动和高保真度音频信号处理等运用。《模仿对话》曾刊载过一篇相关文章——”多功能、低功耗、精细单端差分转换器”1,其间介绍了一种有很大改进的单端转差分电路,它具有很高输入阻抗,最大输入偏置电流为2 nA,最大失调 (RTI) 为60 μV,最大失调漂移为0.7 μV/°C。功能改进是经过在反应环路中将OP1177与差分增益为1的AD8476级联而完成的

Figure 1
图1. 改进的单端转差分电路

但是,许多运用需求更大的输出动态规模,例如温度和压力传感器输出的信号调度等。假如还能调理共模,那么该电路将能十分方便地与许多ADC接口,其基准电压决议满量程规模。

Figure 2
图2. 具有改进动态规模的单端转差分电路

将环路内部差分放大器的增益装备为大于1的值,可进步电路的输出动态规模(图2)。输出经过下式核算:

Equation 1

其间RG坚持开路,电路的总增益为2。A1 (OP1177) 的输出经过下式核算:

Equation 2

留意:VREF一直添加到OP1177的输出上,然后会约束其输出裕量。大都运用中,VREF(输出共模)设置在电源的中点,以供给最大输出动态规模。环路内部增益大于1的差分放大器,例如2中的ADA4940(增益为2),可下降A1输出电压,下降倍数为A2的差分增益,这样便有助于防止图A1输出饱满。选用±5 V电源时,OP1177的典型输出摆幅为4.1 V,因而,当VREF设置为0时,图2所示电路的差分输出电压摆幅约为±8 V。将A2增益装备为3可进一步改进输出动态规模,完成电路的最大输出摆幅。另一个可用增益为1、2和3的放大器ADA4950,也合适用作A2。

可调输出共模

能够修正电路,使输出共模可调且独立于输入信号的共模。关于输入以地为基准且需求转换为具有高共模的差分信号以与ADC接口的单电源运用,这样做可带来极大的灵活性和便当。

完成办法是在输入端添加两个电阻R1和R2,R2连接到VOCM。若需求,能够运用输入放大器A1的双通道版别OP2177,关于十分低的输入偏置电流,可将第二放大器用作输入缓冲器。

Figure 3A
图3(a) 改进的单端差分转换器,具有可调共模。
Figure 3B
图3(b) 输入和输出图,红线为VOP,黄线为VON,蓝线为输入。共模为0V。
Figure 3C
图3(c) 输入和输出图,红线为VOP,黄线为VON,蓝线为输入。共模为2.5 V。

在图1所示电路中,输入以VREF为基准。参见图3所示电路,输入以地为基准,直接获取后转换为差分输出。现在能够调理VOCM以使共模输出偏移,而输入依然以地为基准。VOCM能够设为基准电压源的一半或转换器的中心电平。VOCM基本上像VIN相同,用作另一个输入。所选电阻值应满意下式:

Equation 3

经过叠加,当VIN为0时,输出值与VOCM相同。由于VOCM是设置输出共模的值,因而差分输出为0。若R1 = RG且R2 = RF,则输出电压由下式给出:

Equation 4

带宽和安稳性

两个放大器构成一个伺服环路装备的复合差分输出运算放大器。OP1177/OP2177的开环增益和ADA4940的差分增益兼并,得到电路的总开环增益,其界说电路的总带宽。其极点的兼并则使环路的相移添加。A2运用较高增益时,会下降其带宽,并或许影响电路全体的安稳性。电路设计人员须查看电路全体的频率响应,评价是否需求补偿。为了保证反应系统的安稳性,经历法则是随频率而改变的兼并开环增益有必要以–20 dB/十倍频程的滚降速率跨过单位增益。这在最小增益(2倍增益)的运用中更为重要,由于环路增益处于最大值,相位裕量最差。进步总增益,然后减小带宽并添加反应环路的相位裕量,也能改进安稳性。由于环路增益减小,它会在较低的频率跨过单位增益。环路增益由下式核算:

Equation 5

反应系数β中有一个1/2 ,这 是由于输出为差分,而反应仅从差分输出之一中取得。ADA4940在2倍增益时的带宽为50 MHz,而OP1177的单位增益带宽约为4 MHz。受限于OP1177和闭环增益,图3所示电路在带宽约为1 MHz时可安稳作业。如之前文章中所指出的,当运用差分放大器无法满意安稳性条件时,能够运用一个限带电容,如图3(a)所示。该电容与反应环路内部的 RF构成一个积分器,将电路全体的带宽约束为:

Equation 6

能够恰当挑选电容和反应电阻,使总带宽受上式约束。

参阅电路

1Herrera, Sandro and Moshe Gerstenhaber. “多功能、低功耗、精细单端差分转换器.模仿对话,第46卷,第4期。

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