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作者：Darwin Tolentino和Sandro Herrera 差分信號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驅動和高保真度音頻信號處理等應用。《模擬對話》曾刊載過一篇相關文章——"多功能、低功耗、精密單端差分轉換器"1，其中介紹了一種有很大改進的單端轉差分電路，它具有很高輸入阻抗，最大輸入偏置電流為2 nA，最大失調 (RTI) 為60 μV，最大失調漂移為0.7 μV/°C。性能改進是通過在反饋環路中將OP1177與差分增益為1的AD8476級聯而實現的。 
圖1. 改進的單端轉差分電路 然而，許多應用需要更大的輸出動態范圍，例如溫度和壓力傳感器輸出的信號調理等。如果還能調節共模，那么該電路將能非常方便地與許多ADC接口，其基準電壓決定滿量程范圍。
圖2. 具有改進動態范圍的單端轉差分電路 將環路內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態范圍（圖2）。輸出通過下式計算：
其中RG保持開路，電路的總增益為2。A1 (OP1177) 的輸出通過下式計算：
注意：VREF始終增加到OP1177的輸出上，從而會限制其輸出裕量。多數應用中，VREF（輸出共模）設置在電源的中點，以提供最大輸出動態范圍。環路內部增益大于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，OP1177的典型輸出擺幅為4.1 V，因此，當VREF設置為0時，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可進一步改善輸出動態范圍，實現電路的最大輸出擺幅。另一個可用增益為1、2和3的放大器ADA4950，也適合用作A2。 可調輸出共模 可以修改電路，使輸出共模可調且獨立于輸入信號的共模。對于輸入以地為基準且需要轉換為具有高共模的差分信號以與ADC接口的單電源應用，這樣做可帶來極大的靈活性和便利。 實現方法是在輸入端增加兩個電阻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) 改進的單端差分轉換器，具有可調共模。
圖3(b) 輸入和輸出圖，紅線為VOP，黃線為VON，藍線為輸入。共模為0 V。
圖3(c) 輸入和輸出圖，紅線為VOP，黃線為VON，藍線為輸入。共模為2.5 V。 在圖1所示電路中，輸入以VREF為基準。參見圖3所示電路，輸入以地為基準，直接獲取后轉換為差分輸出。現在可以調節VOCM以使共模輸出偏移，而輸入仍然以地為基準。VOCM可以設為基準電壓源的一半或轉換器的中間電平。VOCM基本上像VIN一樣，用作另一個輸入。所選電阻值應滿足下式： .
通過疊加，當VIN為0時，輸出值與VOCM相同。由于VOCM是設置輸出共模的值，因此差分輸出為0。若R1 = RG且R2 = RF，則輸出電壓由下式給出：
帶寬和穩定性 兩個放大器構成一個伺服環路配置的復合差分輸出運算放大器。OP1177/OP2177的開環增益和ADA4940的差分增益合并，得到電路的總開環增益，其定義電路的總帶寬。其極點的合并則使環路的相移增加。A2使用較高增益時，會降低其帶寬，并可能影響電路整體的穩定性。電路設計人員須檢查電路整體的頻率響應，評估是否需要補償。為了確保反饋系統的穩定性，經驗法則是隨頻率而變化的合并開環增益必須以–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）的應用中更為重要，因為環路增益處于最大值，相位裕量最差。提高總增益，從而減小帶寬并增加反饋環路的相位裕量，也能改善穩定性。因為環路增益減小，它會在較低的頻率跨過單位增益。環路增益由下式計算：
反饋系數β中有一個 ，這 是因為輸出為差分，而反饋僅從差分輸出之一中獲得。ADA4940在2倍增益時的帶寬為50 MHz，而OP1177的單位增益帶寬約為4 MHz。受限于OP1177和閉環增益，圖3所示電路在帶寬約為1 MHz時可穩定工作。如之前文章中所指出的，當使用差分放大器無法滿足穩定性條件時，可以使用一個限帶電容，如圖3(a)所示。該電容與反饋環路內部的 RF形成一個積分器，將電路整體的帶寬限制為：
可以適當選擇電容和反饋電阻，使總帶寬受上式限制。 參考資料： 1Sandro Herrera和Moshe Gerstenhaber。"多功能、低功耗、精密單端差分轉換器" 模擬對話，第46卷，第4期。 作者 Darwin Tolentino [darwin.tolentino@analog.com] 是菲律賓ADI公司線性精密技術部門的高級測試開發工程師。他曾在產品與測試工程部門工作，為放大器和線性產品（包括轉換器）開發了測試解決方案。他于2000年加入ADI公司，在半導體行業已有17年的經驗。 他的興趣包括歷史和模擬電路設計。 Sandro Herrera [sandro.herrera@analog.com]是美國馬薩諸塞州威明頓市集成放大器產品 (IAP) 部門的一名電路設計工程師。他目前主要從事固定、可變或可編程增益的全差分放大器設計工作。Sandro擁有麻省理工學院電氣工程學士學位 (BSEE) 和電氣工程碩士學位 (MSEE)。他于2005年8月加入ADI公司。 |
