問:我們可以使用儀表放大器來產生差分輸出訊號嗎?

答:隨著對精度要求的不同提高,使得全差分訊號鏈元件因傑出的性能而脫穎而出。這類元件的一個主要優點,是可以透過訊號路由拾取雜訊抑制。由於輸出會拾取這種雜訊,因此其經常會出現誤差,並因而在訊號鏈中造成進一步衰減。此外,差分訊號可以實現兩倍於同一電源上的單端訊號的訊號範圍。因此,全差分訊號的訊號雜訊比(SNR)更高。經典的三運放儀表放大器具有許多優點,包括共模訊號抑制、高輸入阻抗和精準(可調)增益;但是,在需要全差分輸出訊號時,它就無能為力了。人們已經使用了一些方法透過標準元件來實現全差分儀表放大器,但是,它們仍然存在著各自的缺點。

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圖1:經典儀表放大器。

其中一種技術,是使用運算放大器驅動參考針腳,正輸入為共模,負輸入為將輸出連接在一起的兩個匹配電阻的中心。該配置使用儀表放大器輸出來作為正輸出,運算放大器輸出作為負輸出。由於兩個輸出是不同的放大器,因此這些放大器之間動態性能的失配會大幅影響電路的整體性能。此外,兩個電阻的匹配導致輸出共模隨輸出訊號運動,結果可能導致失真。在設計該電路時,在選擇放大器時必須考慮穩定性,並且可能需要在運算放大器上設定一個回饋電容,用於限制電路的總頻寬。最後,該電路的增益範圍取決於儀表放大器。因此,不可能實現小於1的增益。

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圖2:使用外部運算放大器產生反相輸出。

另一種技術,是將兩個儀表放大器與輸入開關並聯。相較於前一電路,這種配置具有更好的匹配驅動電路和頻率響應。但它不能實現小於2的增益。該電路還需要精密匹配增益電阻,以實現純差分訊號。這些電阻的失配會導致輸出共模位準的變化,其影響與先前的架構相同。

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圖3:使用第二儀表放大器產生反相輸出。

這兩種方法對可實現的增益以及匹配元件的要求存在限制。

新型交叉連接技術

透過交叉連接兩個儀表放大器,如圖4所示,這種新電路使用單個增益電阻提供具有精密增益或衰減的全差分輸出。透過將兩個參考針腳連接在一起,使用者可以根據需要調整輸出共模。

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圖4:交叉連接技術——產生差分儀表放大器輸出的解決方案。

In_A的增益由以下等式推出。由於輸入電壓出現在儀表放大器2的輸入緩衝器的正端子上,而電阻R2和R3另一端的電壓為0 V,因此這些緩衝器的增益是遵循適用於同相運算放大器配置的等式。同樣的,對於儀表放大器1的輸入緩衝器,增益遵循反相運算放大器配置。由於差分放大器中的所有電阻都匹配,因此緩衝器輸出的增益為1。

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圖5:儀表放大器內部的匹配電阻是交叉連接技術的關鍵。

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根據對稱性原則,如果在In_B施加電壓V2且In_A接地,則結果如下:

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將這兩個結果相加得到電路的增益。

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增益電阻R3和R2設定電路的增益,並且只需要一個電阻來實現全差分訊號。正/負輸出取決於安裝的電阻。不安裝R3將導致增益等式中的第二項變為零。由此可得,增益為2×R1/R2。不安裝R2會導致增益等式中的第一項變為零。由此可得,增益為-2×R1/R3。需要注意的另一點是增益純粹是一個比率,因此可以實現小於1的增益。請記住,由於R2和R3對增益有相反的影響,所以,使用兩個增益電阻會使第一級增益高於輸出。如果在選擇電阻值時不小心,結果將會加大由於第一級運算放大器在輸出端所引起的偏差。

為了展示這個電路的實際運用情況,本文透過連接兩個AD8221儀表放大器進行介紹。產品手冊將R1列為24.7kΩ,因此當R2為49.4kΩ時,可實現等於1的增益。

CH1是In_A的輸入訊號,CH2為VOUT_A,CH3為VOUT_B。輸出A和B匹配且反相,差值在幅度上等於輸入訊號。

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圖6:使用交叉連接技術產生差分儀表放大器輸出訊號,在增益=1的條件下測得的結果。

接下來,將49.4kΩ增益電阻從R2移至R3,電路的新增益為-1。現在Out_A與輸入反相,輸出之間的差值在幅度上等於輸入訊號。

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圖7:使用交叉連接技術產生差分儀表放大器輸出訊號,在增益=-1的條件下測得的結果。

如前所述,其他技術的一個限制是無法實現衰減。根據增益等式,使用R2 =98.8kΩ,電路會使輸入訊號衰減兩倍。

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圖8:使用交叉連接技術產生差分儀表放大器輸出訊號,在增益=1/2的條件下測得的結果。

最後,為了證明高增益,選擇R2=494Ω以實現G=100。

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圖9:使用交叉連接技術產生差分儀表放大器輸出訊號儀表放大器,在增益=100條件下測得的結果。

該電路的性能表現符合增益等式的描述。為了獲得最佳性能,使用此電路時應採取一些預防措施。增益電阻的精度和漂移會增加儀表放大器的增益誤差,因此需要根據誤差要求來選擇合適的容差。由於儀表放大器Rg針腳上的電容可能會導致較差的頻率性能,因此,如果需要高頻性能時應注意這些節點。此外,兩個儀表放大器之間的溫度失配會因失調漂移導致系統失調,因此在此應注意佈局和負載。使用雙通道儀表放大器,如AD8222,則有助於克服這些潛在的問題。

結論

交叉連接技術保持儀表放大器的所需特性,同時提供附加功能。儘管本文討論的所有示例都實現了差分輸出,但在交叉連接電路中,輸出的共模不會受電阻對失配的影響,與其他架構不同。因此,始終都能實現真正的差分輸出。此外,如增益等式所示,差分訊號衰減是可能存在的,而這就消除了採用漏斗放大器的必要性,在以前,這是必不可少的。最後,輸出的極性由增益電阻的位置決定(使用R2或R3),而這也為用戶增加了更多的靈活性。