問題:如何實現低功耗、低成本的差分輸入轉單端輸出放大器電路?

答案:在許多應用中,都需要使用低功耗、高性能的差分放大器,以將小差分訊號轉換成可讀的接地參考輸出訊號。兩個輸入端通常共用一個大共模電壓。差分放大器會抑制共模電壓,剩餘電壓經放大後,在放大器輸出端表現為單端電壓。共模電壓可以是交流或直流電壓,此電壓通常會大於差分輸入電壓。抑制效果隨著共模電壓頻率增加而降低。相同封裝內的放大器擁有更好的匹配性能、相同的寄生電容,並且不需要外部接線。因此,相較於分離式放大器,高性能、高頻寬的雙通道放大器擁有更卓越的頻率表現。

一個簡單的解決方案是使用阻性增益網路的雙通道精密放大器,如圖1所示。此電路顯示了一種將差分輸入轉換為帶可調增益的單端輸出之簡單方式。系統增益可透過公式1確定:

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其中,增益= RF/1 kΩ 且 (VIN1 – VIN2)是差分輸入電壓。

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圖1:差分輸入單端輸出放大器

在一般情況下,這種方法可以在出現EMI或RFI時提供更加穩定的讀取功能,因此,建議在存在雜訊問題的情況下使用。在測量熱電偶、應變片和電橋式壓力感測器輸入時尤其如此,因為它們可以在吵雜的環境中提供極小的訊號。

此電路不僅能測量感測器正負端的電壓差,還能提供帶部份系統增益的共模抑制功能,實現比單端輸入更優越的性能改進。此外,此感測器接地端還可不同於類比接地端。接地輸出電壓參考在許多應用中都非常重要。系統精度取決於網路電阻的容差。

電路可以將差分輸入轉換為帶可調增益的單端輸出。系統增益可以透過RF和RG1的比值來設定,假設RG2 = RG1且放大器B的增益為-1。

例如,180MHz雙通道放大器ADA4807-2可以建構為一個針對此應用的反相放大器,並且此電路的雜訊較低。此電路擁有較低的靜態電流(1000μA /放大器),適合低功耗、高解析度的數據轉換系統。

輸入共模電壓將會高於電源電壓。採用軌對軌輸出,這在大共模訊號或大輸出電壓應用中非常有用。例如,數據採集板擁有可接受0V至5V單端輸入的ADC。但是,訊號源恰巧是感測器電橋產生的差分電壓,電橋一個端子為正,而另一個端子為負,以響應存在共模雜訊情況下的壓力。

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圖2:差分轉單端放大器的性能

圖2顯示的是施加差分輸入電壓和電路增益變動的情況。RF值可設置系統增益。可以看到,這張圖顯示的是系統增益1、2和4,且1kHz時的差分輸入電壓為1V pp。

此電路對於測量兩個大電壓之間的小差異非常有用。例如,可以考量一個解決方案,利用1%的簡單精度來監控由3V電池供電系統中的3V/GND供電的典型Wheatstone電橋電路。使用1%電阻或更優電阻可實現所需的精度水平,並且此電路將會抑制任何共模,並按照設定的電路增益放大衰減電橋訊號。如果驅動ADC,則需要應用一些位準轉換功能,獲得0V至5V範圍的輸出訊號。

該電路同時具有卓越的失真和低靜態電流的特點。雙通道運算放大器解決方案可降低系統成本,而差分放大器的使用則可提高性能。