全差分放大器和運算放大器(op amp)相似,但並不完全相同。在推導全差分放大器轉換公式時,必須考慮輸入電壓和兩個輸出電壓。可以使用圖1中的全差分放大器電路來推導轉換公式。公式1是放大器公式,其中a是放大器的增益,公式2和3是放大器輸入節點公式。

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圖1:當一個輸入接地時,該電路將單端訊號轉換為差分訊號。

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將公式2和3代入公式1,合併各項,並假設R1 = R3、R2 = R4,得到公式4:

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當a遠遠大於(R1 + R2)時,公式4可簡化為公式5:

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如果同時使用兩個輸入,該電路即可充當差分輸入/差分輸出放大器。當你使用兩個輸入中的任何一個(另一個輸入接地),該電路則可作為單端輸入/差分輸出放大器。公式5顯示單端至差分訊號轉換的簡便性:只需連接四個電阻,即可透過調節R2/R1電阻比來獲得訊號增益。有了全差分放大器,就不需要用兩個或三個複雜的運算放大器組合來實現單端至差分輸出的轉換器了。相較於運算放大器配置,這種方式還有其它優點:速度更快、成本更低、所需的空間更小,以及功耗更低。

利用公式6可以計算共模輸出電壓VOCM:

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值得注意的是,當R1和R2匹配時,共模輸出電壓變為零。最好採用匹配電阻來實現全差分放大器,以消除共模電壓。薄膜電阻器是低成本匹配電阻器的最佳選擇。隨著全差分放大器的普及,越來越容易取得具有不同增益配置的低成本匹配薄膜電阻器組合。

編譯:Jenny Liao

(參考原文:Developing equations for fully differential amplifiers,by Ron Mancini)