摘要

　　全差分放大器（FDA）具有差分輸入和差分輸出，其輸出共模由直流（DC）輸入電壓獨(dú)立控制，主要用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換的前端，用于將信號(hào)調(diào)理為合適的電平以供下一級(jí)（通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC））使用。FDA一般采用單芯片設(shè)計(jì)，電源電壓較小，因此輸出動(dòng)態(tài)范圍有限。本文將介紹具有可調(diào)共模輸出的高壓低噪聲FDA的設(shè)計(jì)方法。本文還完整分析了FDA噪聲，以及其對(duì)高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)鏈的總體信噪比（SNR）的影響。

　　引言

　　高壓FDA適用于需要寬輸出動(dòng)態(tài)范圍和與高性能FDA類(lèi)似的交流（AC）性能的應(yīng)用。例如，測(cè)試和評(píng)估具有寬輸入范圍的精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈可能需要高壓FDA。由于電源電壓較小，目前大多數(shù)FDA的輸出電壓范圍一般都很有限。FDA適合用于驅(qū)動(dòng)高性能ADC的輸入，后者通常需要單電源。FDA具有出色交流性能，其SNR和總諧波失真（THD）十分優(yōu)異。不過(guò)，在失調(diào)、軌間擺幅、偏置電流和漂移性能方面，F(xiàn)DA不如許多更高電壓的精密運(yùn)算放大器。但這完全不是問(wèn)題，因?yàn)槠錆M(mǎn)足ADC驅(qū)動(dòng)要求，而且ADI公司提供了一系列用于各種應(yīng)用的ADC驅(qū)動(dòng)器。

　　FDA支持單端或差分輸入，具有增益，并提供差分輸出，其共模通常可通過(guò)輸出共模輸入引腳（V_OCM）進(jìn)行調(diào)整（見(jiàn)圖1）。FDA的優(yōu)勢(shì)在于擁有更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，最大輸出是輸出軌的兩倍，并且其噪聲和偶次諧波失真更低。例如，±5 V FDA的最大輸出峰峰值接近±10 V或20 V p-p。

　　±18 V電路的輸出大于60 V p-p。ADA4625-1/ADA4625-2是低噪聲JFET放大器，噪聲和失真性能非常好，并且電源范圍寬達(dá)±18 V。需滿(mǎn)足應(yīng)用的所有直流和交流性能要求時(shí)，使用分立運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)FDA可能會(huì)很棘手。

　　圖1.FDA

　　要?jiǎng)?chuàng)建差分放大器，比較簡(jiǎn)單的方法是使用同相和反相放大器在輸出端產(chǎn)生差模信號(hào)（圖2），但這種方法的缺點(diǎn)是兩個(gè)放大器U1和U2不能以非常對(duì)稱(chēng)的方式運(yùn)行，因而性能沒(méi)有得到優(yōu)化。

　　圖2.單端轉(zhuǎn)差分電路

　　更好的方法是將兩個(gè)運(yùn)算放大器配置成差分方式，類(lèi)似于基本差分放大器，其中U1和U2共享反饋和增益電阻，增益A_v = （R_G + 2R_F）/R_G（見(jiàn)圖3）。

　　圖3.差分放大器電路

　　此配置通過(guò)簡(jiǎn)化的增益網(wǎng)絡(luò)提供平衡輸出，并可通過(guò)增益設(shè)置電阻RG輕松調(diào)整增益大小。然而，當(dāng)輸入為單端時(shí)，差分輸出在幅度上將是不對(duì)稱(chēng)的（見(jiàn)圖4）。不對(duì)稱(chēng)輸出會(huì)使輸出范圍嚴(yán)重受限，因?yàn)槠渲幸粋€(gè)輸出會(huì)先于另一個(gè)輸出達(dá)到供電軌。通過(guò)調(diào)整電阻增益網(wǎng)絡(luò)使輸出對(duì)稱(chēng)，可以解決此問(wèn)題（圖5）。請(qǐng)注意，增益電阻被分成兩部分，即R_G1和R_G2，并且U2從R_G1和R_G2的中心獲得反饋，從而使輸出對(duì)稱(chēng)。增益由下式給出：A_v = （R_G1 + R_G2 + R_F1 + R_F2）/R_G1。

　　圖4.不對(duì)稱(chēng)輸出

　　圖5.對(duì)稱(chēng)輸出

　　添加可調(diào)輸出共模

　　添加可調(diào)共模的方法有兩種：一種方法是使用兩個(gè)ADA4625器件為每個(gè)輸入添加一個(gè)V_OCM放大器（圖6和圖7）；另一種方法是僅使用一個(gè)ADA4625-1作為V_OCM放大器（圖8和圖9）。這些方法各有利弊，下文將展開(kāi)詳細(xì)討論。

　　通過(guò)添加放大器U3和U4，所施加的任何直流輸入電壓（V6）都會(huì)加到正負(fù)輸入上。由于每個(gè)輸入都增加了相同電壓，因此它們?cè)谳敵龆吮憩F(xiàn)為直流共模。然而，除了U1和U2差分級(jí)會(huì)進(jìn)一步放大額外噪聲之外，U3和U4還會(huì)在電路中產(chǎn)生額外的功耗。不過(guò)，它非常簡(jiǎn)單，并且不會(huì)影響整體信號(hào)增益。對(duì)于圖6中的電路，信號(hào)增益為A_v = （R_G1 + R_G2 + R_F1 + R_F2）/R_G1；對(duì)于圖7中的電路，信號(hào)增益為A_v = （R_G + R_F1 + R_F2）/R_G。

　　圖6.采用雙放大器的單端轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice^?仿真。

　　圖7.采用雙通道放大器的差分轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice仿真。

　　添加可調(diào)V_OCM的另一種方法是添加一個(gè)放大器，將其輸出加到每個(gè)輸入上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)包括：使用的器件（僅一個(gè)放大器）和電阻更少，以及所添加器件產(chǎn)生的噪聲貢獻(xiàn)更低。實(shí)際上，U3不會(huì)產(chǎn)生任何額外噪聲，因?yàn)槌藖?lái)自電阻分壓器R4至R7的噪聲外，其折合到輸出的噪聲表現(xiàn)為U1和U2輸入的共模。

　　電阻R3至R7構(gòu)成電阻加法器網(wǎng)絡(luò)，將V_OCM加到輸入信號(hào)上。R3至R5將共模加到正輸入信號(hào)上，而R6至R8（單端輸入則為R6和R7）將共模加到負(fù)輸入上。請(qǐng)注意，該電阻網(wǎng)絡(luò)會(huì)衰減輸入信號(hào)。這會(huì)降低電路的整體信號(hào)增益。對(duì)于圖8中的電路，總信號(hào)增益為Av = [（R_G1 + R_G2 + R_F1 + R_F2）/R_G1][（R4//R5）/（R4//R5 + R3）]；對(duì)于圖9中的電路，總信號(hào)增益為A_v = [（R_G + R_F1 + R_F2）/R_G][（R4//R5）/（R4//R5 + R3）]。噪聲分析部分闡明了主要噪聲源，并且根據(jù)所需的總增益和設(shè)計(jì)人員需重點(diǎn)考慮的其他因素，討論了第二種添加V_OCM的方法是否比第一種方法更有益。

圖8.采用單放大器的單端轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice仿真。

　　圖9.采用單放大器的差分轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍(lán)色和綠色）的LTspice仿真。

　　噪聲分析

　　在為高性能精密數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈提供激勵(lì)時(shí)，噪聲是一個(gè)關(guān)鍵考慮因素，最終將決定系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)范圍和SNR方面的限制。16位ADC的理論SNR為98 dB（6.02 N + 1.76 dB，N = 位數(shù)），這意味著4.096 Vp輸出（或8.192 V p-p）的等效噪聲約為36 μV rms。這種噪聲稱(chēng)為量化噪聲，是由ADC的量化誤差引起的。-98 dB SNR是16位系統(tǒng)的理想極限，任何性能下降都將是由ADC的輸入或周?chē)娐返念~外噪聲引起的。以下是單通道和雙通道放大器V_OCM全差分電路中各元器件的噪聲貢獻(xiàn)分析。圖10為具有雙放大器V_OCM的FDA電路噪聲模型。

　　差分級(jí) — U1和U2噪聲貢獻(xiàn)

　　ADA4625-1/ADA4625-2的電流噪聲密度非常低，在1 kHz時(shí)為4.5 fA/√Hz，而折合到輸入（RTI）的電壓噪聲在1 kHz時(shí)約為3 nV/√Hz，本分析將其視為寬帶噪聲。U1和U2的電流和電壓噪聲在差分輸出端的總噪聲貢獻(xiàn)（均方根值）可以表示為：

　　其中，e_Nv,U1U2是U1和U2的RTI電壓噪聲引起的輸出電壓噪聲，而e_NI,U1U2是輸入電流噪聲引起的輸出電壓噪聲。對(duì)輸入端各分量噪聲的平方和求平方根（RSS）可以得到RTI電壓噪聲，然后由增益和反饋網(wǎng)絡(luò)R_F和R_G進(jìn)行放大。類(lèi)似地，電流噪聲經(jīng)過(guò)RSS處理后，由R_G轉(zhuǎn)換為電壓噪聲，再經(jīng)放大傳輸至輸出。輸入電流噪聲非常小，其貢獻(xiàn)微不足道，因此電阻和放大器的電壓噪聲是輸出端的主要噪聲源。

　　圖10.雙放大器V_OCM噪聲模型

　　由U1和U2的增益和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)（R_F1、R_F2和R_G）引起的輸出噪聲為：

　　其中，室溫下1 kΩ電阻的熱噪聲為4.06 nV?√Hz。

　　在輸出端合并U1和U2的電壓噪聲及其反饋電阻網(wǎng)絡(luò)噪聲，忽略電流噪聲，使用公式1和3可得到：

　　從之前的討論可以得知，隨著增益的提高，放大器的電壓噪聲很容易成為主導(dǎo)噪聲。使用較小的R_G值（例如500 Ω）可以大大降低電阻的噪聲。

　　V_OCM電路 — U3和U4噪聲

　　接下來(lái)分析圖10中VOCM電路的噪聲。VOCM電路（U3和U4）的總噪聲（包括電阻噪聲，并忽略每個(gè)放大器的輸入電流噪聲）計(jì)算方式如下：

　　其中，R1//R2為R1和R2的并聯(lián)等效電阻。從之前的討論還可以明顯看出，U3和U4的總噪聲主要由放大器電壓噪聲和電阻噪聲組成，因此最好保持較低電阻值，以有效減少其對(duì)整體噪聲的貢獻(xiàn)，使放大器噪聲成為唯一的主要噪聲源。V_OCM電路輸出端的噪聲會(huì)出現(xiàn)在差分級(jí)的輸入端，隨后由差分級(jí)放大并傳輸至輸出端。

　　V_OCM電路 — 單放大器U3噪聲

　　如前所述，U3輸出端的噪聲作為U1和U2輸入端的共模出現(xiàn)（顯示為inp和inn，見(jiàn)圖 11），因此不會(huì)給差分級(jí)帶來(lái)噪聲。額外的噪聲來(lái)自電阻R3至R8。仔細(xì)檢查可發(fā)現(xiàn)，差分級(jí)的每個(gè)輸入端都有三個(gè)并聯(lián)電阻——正輸入端為R3至R5，負(fù)輸入端為R6至R8（圖11c），這也使得電阻的噪聲貢獻(xiàn)非常小。

　　在雙放大器和單放大器VOCM電路這兩種電路中，后者的噪聲貢獻(xiàn)要低得多，但其整體信號(hào)增益較低。此外，它的功耗更低，所需的放大器也更少。公式7表示圖11中V_OCM電路輸出端的噪聲；公式8表示差分級(jí)輸出端變化對(duì)U1和U2的對(duì)應(yīng)噪聲貢獻(xiàn)。

　　綜合考慮 — ADC信號(hào)鏈的總SNR

　　ADC信號(hào)的總SNR由模擬前端（AFE）和ADC的總噪聲貢獻(xiàn)決定，其中可能包括來(lái)自其他噪聲源的噪聲。ADC信號(hào)鏈的總SNR由下式得出：

　　圖11.單放大器VOCM噪聲模型

　　其中，V_REF被認(rèn)為是雙極性輸出ADC的正滿(mǎn)量程。

　　總體而言，信號(hào)鏈的總SNR可以用圖12來(lái)總結(jié)。

　　圖12.數(shù)據(jù)采集前端信號(hào)鏈

　　ADC的噪聲與AFE輸入端的噪聲相結(jié)合，會(huì)使ADC的實(shí)際總SNR低于理論或理想值。為將AFE的噪聲與ADC的噪聲結(jié)合起來(lái)，需要將ADC的SNR轉(zhuǎn)換為其均方根積分噪聲等效值，如下所示：

　　例如，ADAQ7767-1的典型SNR為-106 dB，等效有效值噪聲為14.5 μV。

　　ADAQ7767-1是一款24位數(shù)據(jù)采集解決方案，帶有集成ADC驅(qū)動(dòng)器和抗混疊濾波器，增益為1、0.364、0.143 V/V，250 kSPS時(shí)噪聲帶寬（BW）為110 kHz，其陡峭截止頻率主要由其數(shù)字磚墻濾波器決定。ADA4625-1/ADA4625-2的典型寬帶電壓噪聲為3.3 nV?√Hz，因此圖13中差分級(jí)（U1和U2）的輸出噪聲貢獻(xiàn)（噪聲增益為6）為：

　　e_{N,V_U1U2} = [√2（3.3 nV）²] （500 Ω + 1.5 kΩ + 1 kΩ）/500 Ω = 28 nV?√Hz；U1和U2 RTI噪聲引起，使用公式1。

　　e_{N,RES_U1U2} = √[2.87 nV（6）]² + （4 nV）² + （4.97 nV）² = 18.4 nV?√Hz，電阻增益網(wǎng)絡(luò)引起，使用公式3。

　　e_N,U1U2 = √（28 nV）² + （18.4 nV）² = 33.5 nV?√Hz，差分級(jí)的總輸出噪聲貢獻(xiàn)。

　　根據(jù)公式 8，其中差分級(jí)輸入端三個(gè)電阻（1 kΩ）的并聯(lián)等效值為333.3 Ω，噪聲為2.3 nV?√Hz：

　　e_{NO,VOCM_U3} = 6√2（2.3 nV）² = 19.5 nV?√Hz，電阻R3至R8引起的輸出噪聲貢獻(xiàn)。

　　因此，ADAQ7767-1輸入端的總輸出噪聲計(jì)算如下：

　　輸入電路對(duì)系統(tǒng)總噪聲的貢獻(xiàn)非常小，部分原因在于ADAQ7767-1的輸入增益較小。請(qǐng)注意，110 kHz來(lái)自磚墻式數(shù)字濾波器，因此乘以帶寬時(shí)無(wú)需帶上濾波器帶寬調(diào)整因子。根據(jù)-106 dB的典型SNR，信號(hào)鏈的最終SNR將為：

　　使用LTspice對(duì)圖13中的輸入電路進(jìn)行噪聲仿真（圖14），表明110 kHz帶寬的總有效值噪聲為12.3 μV rms。將其乘以0.143 V/V的增益，得到ADAQ7767-1輸入端噪聲為1.8 μV有效值噪聲，這與計(jì)算出的總輸入噪聲值相同。

　　圖13.具有高壓輸入的ADAQ7767-1精密信號(hào)鏈

　　圖14.圖13所示ADAQ7767-1輸入電路中的LTspice噪聲

　　表1為使用ADAQ7767-1的其他增益時(shí)所得的信號(hào)鏈總SNR。

　　圖13中僅使用了單放大器V_OCM電路。該電路可用于向前端信號(hào)鏈系統(tǒng)提供大輸入電壓，而不會(huì)對(duì)噪聲性能產(chǎn)生顯著影響。雙通道放大器V_OCM電路可以在相同的總信號(hào)增益下提供類(lèi)似的噪聲性能。噪聲分析部分“V_OCM電路 — U3和U4噪聲”中給出的噪聲方程可用于計(jì)算雙通道放大器V_OCM電路輸出端的總噪聲，并且可以應(yīng)用同樣的方法和概念來(lái)計(jì)算信號(hào)鏈的總SNR。

　　結(jié)論

　　在本文介紹的電路中使用ADA4625-1/ADA4625-2創(chuàng)建復(fù)合FDA，可實(shí)現(xiàn)具有可調(diào)共模的低噪聲、高電壓輸出解決方案，進(jìn)而可以驅(qū)動(dòng)具有寬輸入范圍的高性能數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。通過(guò)適當(dāng)配置差分級(jí)的反饋網(wǎng)絡(luò)，該方案既能支持單端輸入，也能支持差分輸入。單放大器V_OCM電路功耗更低，使用的放大器更少，故而優(yōu)于雙放大器V_OCM電路。我們的示例表明，在增益較低時(shí)，F(xiàn)DA電路不會(huì)對(duì)ADAQ7767-1信號(hào)鏈的總SNR產(chǎn)生顯著影響。對(duì)于增益1 V/V、0.364 V/V和0.143 V/V，其輸入范圍分別為±4.096 V、±11.264 V和±28 V；增益最低時(shí)輸入范圍最寬，并且從該解決方案中受益最大。

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