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ADI:多功能低功耗精细单端转差分转换器

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 很多应用都需要差分信号,包括驱动现代模数转换器

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许多运用都需求差分信号,包含驱动现代模数转化器(ADC)、通过双绞线电缆传输信号、调度高保真音频信号。因为差分信号在一组特定电源电压下运用较大信号,提高了对共模噪声的按捺才能,下降了二次谐波失真,因此完成了更高的信噪比。因为这一需求,咱们需求可将大多数信号链中的单端信号转化为差分信号的电路模块。

图1显现了简略的单端转差分转化器,它运用AD8476精细低功耗彻底差分放大器(diff-amp),带有集成精细电阻。差分放大器内部装备的差分增益为1,因此电路的传递函数为:

VOUT, DIFF = VOP – VON = VIN.

输出共模电压(VOP + VON)/2由VOCM 引脚上的电压设置。假如答应VOCM引脚浮空,则因为构成电源的电阻分压器的内部1 MΩ电阻,输出共模电压将会起浮至电源电压中心值。电容C1会滤除1 MΩ电阻的噪声,以下降输出共模噪声。因为AD8476的内部激光调整增益设置电阻,因此电路的增益差错最大值仅为0.04%。

Figure 1
图1. 简略的单端转差分转化器。

关于许多运用,图1中的电路已足以用于履行单端转差分的转化。关于需求更高功能的运用,图2显现的单端转差分转化器具有很高输入阻抗,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。该电路通过将OP1177精细运算放大器(op amp)与AD8476级联,并将AD8476的正输出电压反应至运算放大器的反相输入端,到达这种等级的功能。这种反应方法使得运算放大器能够确认装备的精度和噪声功能,因为它将反应环路内的差分放大器与前面的运算放大器的大开环增益相连。因此,当以输入为基按时,这种大增益能够削减AD8476的差错,包含噪声、失真、失谐和失调偏移。

Figure 2
图2. 改善的单端转差分转化器。

图2中的电路能够用以下公式表明:

VOP ≈ VIN     (1)
(VOP + VON) = 2 VOCM = 2 VREF    (2)
VON = 2 VREF – VIN    (3)

联立(1)和(3):

 VOUT, DIFF = VOP – VON = 2(VIN – VREF)     (4)

公式3展现了有关电路的两个重要特性:首要,电路的单端转差分增益为2。第二,VREF节点作为输入信号的基准,因此它可用于消除输入信号中的偏置。例如,假如输入信号具有1 V的偏置,则将1 V施加于REF节点能够消除偏置。

假如方针运用需求大于2的增益,则能够修改图2中的电路,如图3所示。在这种情况下,电路的单端转差分增益取决于外部电阻RF和RG如下所示:

Equation 5
    (5)

Equation 6
    (6)
Figure 3
图3. 改善的单端转差分转化器,具有电阻可编程增益。

与图2中的电路类似,这种通过改善的单端转差分转化器可将差分放大器放置在运算放大器的反应环路内部,然后按捺差分放大器的差错。与任何反应衔接相同,咱们有必要小心肠保证体系是安稳的。请参阅图2,OP1177和AD8476的级联构成了复合差分输出运算放大器,频率规模的开环增益是运算放大器的开环增益和差分放大器的闭环增益的乘积。因此,AD8476的闭环带宽为OP1177的开环增益添加了一个极点。为保证安稳性,差分放大器的带宽应高于运算放大器的单位增益频率。在图3所示的电路中,这一要求有所放宽,因为电阻反应网络有效地将OP1177的单位增益频率下降了RG/(RG + RF)倍。因为D8476具有5 MHz的带宽,OP1177具有1 MHz的单位增益频率,因此所示的电路不会呈现安稳性问题。图4显现了图2中的电路的输入和输出信号的示波图,由以地为基准的10 Hz、1 V p-p正弦波驱动。为简明起见,VREF节点接地。

Figure 4
图4. 由以地为基准的10 Hz、1 V p-p正弦波驱动时,图2中电路的输入和输出信号。

假如运用的运算放大器的单位增益频率远大于差分放大器的带宽,则可刺进带宽约束电容CF,如图3所示。电容CF和反应电阻RF构成积分器,因此整个电路的带宽按以下方法核算:

Equation 7
    (7)

带宽公式中的½是因为反应是单端的,而不是差分的,这样会将反应和带宽削减一半。假如削减的带宽低于差分放大器的闭环带宽,则电路将会十分安稳。这种带宽约束技能也可在增益为2的情况下运用,让RG坚持开路。

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