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第44卷

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带精密电源基准电平转换的高性能差分放大器

作者:Moshe GerstenhaberMichael O'Sullivan

采用小尺寸工艺设计的高性能ADC通常采用1.8V至5V单电源供电。为了处理±10 V或更大的信号,ADC一般前置一个放大器电路以衰减该信号,防止输入端饱和。在信号包含大共模电压时普遍采用差分放大器(diff amp)。

差分放大器抑制共模电压的能力由增益设置电阻的比率匹配决定;匹配度越高,共模抑制比(CMR)越高。对于采用0.1%外部电阻的离散放大器,CMR限制为54 dB。集成紧密激光调整的电阻和运算放大器的IC可实现高于80 dB的CMR。

如同许多其他模拟IC,早期的差分放大器一般采用±5V至±15V双电源供电。随着ADC和其他元件趋向于采用更低电源电压,有一段时间差分放大器成为前端唯一需要双电源的电路。但为这一个电路添加负电源相当不便。

新型差分放大器可采用2.7V至15V单电源,但在某些工作条件下,运算放大器的输入输出要全部接至负电压轨(地)。要测量包含负共模电压的信号,共模输入必须升高以脱离负电压轨。要测量负信号,放大器输出必须升高以脱离负电压轨。通过施加一个负电压到基准引脚即可实现这两种电平转换。例如,使用5V单电源,在参考引脚上的2.5V电压源将输出设为中间电源电压并将升高运算放大器输入端呈现的共模电压。该电源必须为低阻抗以避免降低CMR,而且要低漂移以在温度范围内保持精度。图1显示了一种使用两个外部精密电阻和一个低漂移精密运算放大器的典型解决方案。

图2显示一种使用AD8271差分放大器以及在该放大器上集成的多个精密调整的电阻实现更低成本、更高性能的替代解决方案。片上电阻将器件输出设为中间电源电压。这些电阻全部由相同的低漂移薄膜材料制成,所以它们在温度范围内的比率匹配十分出色;它们经过调整以匹配电路中的其他电阻,这样不会降低出色的CMR性能。

精密可编程增益差分放大器
AD8271低失真、可编程增益差分放大器包含一个精密运算放大器和七个激光调整的增益设置电阻,可实现0.5、1或2倍的用户可选差分增益。它也可以配置为40种以上的单端配置,增益范围为-2至+3。该器件分为两级:B级特性规定为0.02%的最大增益误差、2ppm/°C的最大增益漂移、600μV的最大失调电压,以及80dB的最小共模抑制比;A级特性规定为0.05%的最大增益误差、10ppm/°C的最大增益漂移、1000μV的最大失调电压,以及74dB的最小共模抑制比。两级特性都包括–110dB的谐波失真、15MHz的带宽和30V/µs的压摆率。此速度和精度组合使该器件完全适合于仪表放大器、驱动ADC、电平转换和自动测试设备。AD8271采用 5V至36V单电源或±2.5V至±18V双电源,消耗电流2.3 mA。它采用10引脚MSOP封装,额定温度范围为–40°C至+85°C,千片订量报价为1.25美元/片。

图1.中间电源输出的单电源差分放大器

图2. AD8271不需外部元件即可将输出转换成中间电源

关于作者
Moshe Gerstenhaber [moshe.gerstenhaber@analog.com]现为ADI公司研究员(Fellow)。他于1978年加入ADI,数年间先后担任过制造、产品工程及设计方面的多种高级职务。Moshe目前是集成放大器产品部门的设计经理。他在放大器设计领域做出了重大贡献,特别是极高精度专用放大器,如仪表放大器和差动放大器等。
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Michael O'Sullivan [michael-a.osullivan@analog.com]于2004年加入ADI公司。他目前是集成放大器产品部门的产品和测试工程经理,负责支持仪表放大器和差动放大器等极高精度专用放大器的产品特征说明和发布。Mike曾作为产品工程师在半导体领域工作超过14年。
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