很多應(yīng)用都需要差分信號(hào)，包括驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、通過雙絞線電纜傳輸信號(hào)、調(diào)理高保真音頻信號(hào)。由于差分信號(hào)在一組特定電源電壓下使用較大信號(hào)，提高了對(duì)共模噪聲的抑制能力，降低了二次諧波失真，因而實(shí)現(xiàn)了更高的信噪比。由于這一需求，我們需要可將大多數(shù)信號(hào)鏈中的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的電路模塊。
圖1顯示了簡(jiǎn)單的單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器，它使用AD8476 精密低功耗完全差分放大器(diff-amp)，帶有集成精密電阻。差分放大器內(nèi)部配置的差分增益為1，因此電路的傳遞函數(shù)為：
VOUT, DIFF = VOP – VON = VIN.
輸出共模電壓(VOP + VON)/2由VOCM 引腳上的電壓設(shè)置。如果允許VOCM引腳浮空，則由于形成電源的電阻分壓器的內(nèi)部1 MΩ電阻，輸出共模電壓將會(huì)浮動(dòng)至電源電壓中間值。電容C1會(huì)濾除1 MΩ電阻的噪聲，以降低輸出共模噪聲。由于AD8476的內(nèi)部激光調(diào)整增益設(shè)置電阻，因而電路的增益誤差最大值僅為0.04%。
圖1. 簡(jiǎn)單的單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器。
對(duì)于很多應(yīng)用，圖1中的電路已足以用于執(zhí)行單端轉(zhuǎn)差分的轉(zhuǎn)換。對(duì)于需要更高性能的應(yīng)用，圖2顯示的單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器具有很高輸入阻抗，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。該電路通過將OP1177精密運(yùn)算放大器(op amp)與AD8476級(jí)聯(lián)，并將AD8476的正輸出電壓反饋至運(yùn)算放大器的反相輸入端，達(dá)到這種級(jí)別的性能。這種反饋方式使得運(yùn)算放大器能夠確定配置的精度和噪聲性能，因?yàn)樗鼘⒎答伃h(huán)路內(nèi)的差分放大器與前面的運(yùn)算放大器的大開環(huán)增益相連。因此，當(dāng)以輸入為基準(zhǔn)時(shí)，這種大增益可以減少AD8476的誤差，包括噪聲、失真、失調(diào)和失調(diào)偏移。
圖2. 改進(jìn)的單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器。
圖2中的電路可以用以下公式表示：
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VOP ≈ VIN
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(1)
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(VOP + VON) = 2 VOCM = 2 VREF
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(2)
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VON = 2 VREF – VIN
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(3)
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聯(lián)立(1)和(3)：
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VOUT, DIFF = VOP – VON = 2(VIN – VREF)
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(4)
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公式3展示了有關(guān)電路的兩個(gè)重要特性：首先，電路的單端轉(zhuǎn)差分增益為2。第二，VREF節(jié)點(diǎn)作為輸入信號(hào)的基準(zhǔn)，因此它可用于消除輸入信號(hào)中的偏置。例如，如果輸入信號(hào)具有1 V的偏置，則將1 V施加于REF節(jié)點(diǎn)可以消除偏置。
如果目標(biāo)應(yīng)用需要大于2的增益，則可以修改圖2中的電路，如圖3所示。在這種情況下，電路的單端轉(zhuǎn)差分增益取決于外部電阻RF和RG如下所示：
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(5)
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和
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(6)
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圖3. 改進(jìn)的單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器，具有電阻可編程增益。
與圖2中的電路相似，這種經(jīng)過改進(jìn)的單端轉(zhuǎn)差分轉(zhuǎn)換器可將差分放大器放置在運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路內(nèi)部，從而抑制差分放大器的誤差。與任何反饋連接相同，我們必須小心地確保系統(tǒng)是穩(wěn)定的。請(qǐng)參考圖2，OP1177和AD8476的級(jí)聯(lián)形成了復(fù)合差分輸出運(yùn)算放大器，頻率范圍的開環(huán)增益是運(yùn)算放大器的開環(huán)增益和差分放大器的閉環(huán)增益的乘積。因此，AD8476的閉環(huán)帶寬為OP1177的開環(huán)增益添加了一個(gè)極點(diǎn)。為確保穩(wěn)定性，差分放大器的帶寬應(yīng)高于運(yùn)算放大器的單位增益頻率。在圖3所示的電路中，這一要求有所放寬，因?yàn)殡娮璺答伨W(wǎng)絡(luò)有效地將OP1177的單位增益頻率降低了RG/(RG + RF)倍。由于D8476具有5 MHz的帶寬，OP1177具有1 MHz的單位增益頻率，因此所示的電路不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。圖4顯示了圖2中的電路的輸入和輸出信號(hào)的示波圖，由以地為基準(zhǔn)的10 Hz、1 V p-p正弦波驅(qū)動(dòng)。為簡(jiǎn)明起見，VREF節(jié)點(diǎn)接地。
圖4. 由以地為基準(zhǔn)的10 Hz、1 V p-p正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)，圖2中電路的輸入和輸出信號(hào)。
如果使用的運(yùn)算放大器的單位增益頻率遠(yuǎn)大于差分放大器的帶寬，則可插入帶寬限制電容CF，如圖3所示。電容CF和反饋電阻RF構(gòu)成積分器，因而整個(gè)電路的帶寬按以下方式計(jì)算：
(7)
帶寬公式中的½是因?yàn)榉答伿菃味说模皇遣罘值模@樣會(huì)將反饋和帶寬減少一半。如果減少的帶寬低于差分放大器的閉環(huán)帶寬，則電路將會(huì)非常穩(wěn)定。這種帶寬限制技術(shù)也可在增益為2的情況下使用，讓RG 保持開路。