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带可调输出共模的多功能、精密单端转差分电路提升系统动态范围

差分信号适合于需要大信噪比、高抗扰度和较低二次谐波失真的电路,例如高性能ADC驱动和高保真度音频信号处理等应用。《模拟对话》曾刊载过一篇相关文章——"多功能、低功耗、精密单端差分转换器"1,其中介绍了一种有很大改进的单端转差分电路,它具有很高输入阻抗,最大输入偏置电流为2 nA,最大失调 (RTI) 为60 μV,最大失调漂移为0.7 μV/°C。性能改进是通过在反馈环路中将OP1177与差分增益为1的AD8476级联而实现的

Figure 1
图1. 改进的单端转差分电路

然而,许多应用需要更大的输出动态范围,例如温度和压力传感器输出的信号调理等。如果还能调节共模,那么该电路将能非常方便地与许多ADC接口,其基准电压决定满量程范围。

Figure 2
图2. 具有改进动态范围的单端转差分电路

将环路内部差分放大器的增益配置为大于1的值,可提高电路的输出动态范围(图2)。输出通过下式计算:

Equation 1

其中RG保持开路,电路的总增益为2。A1 (OP1177) 的输出通过下式计算:

Equation 2

注意:VREF始终增加到OP1177的输出上,从而会限制其输出裕量。多数应用中,VREF(输出共模)设置在电源的中点,以提供最大输出动态范围。环路内部增益大于1的差分放大器,例如2中的ADA4940(增益为2),可降低A1输出电压,降低倍数为A2的差分增益,这样便有助于避免图A1输出饱和。采用±5 V电源时,OP1177的典型输出摆幅为4.1 V,因此,当VREF设置为0时,图2所示电路的差分输出电压摆幅约为±8 V。将A2增益配置为3可进一步改善输出动态范围,实现电路的最大输出摆幅。另一个可用增益为1、2和3的放大器ADA4950,也适合用作A2。

可调输出共模

可以修改电路,使输出共模可调且独立于输入信号的共模。对于输入以地为基准且需要转换为具有高共模的差分信号以与ADC接口的单电源应用,这样做可带来极大的灵活性和便利。

实现方法是在输入端增加两个电阻R1和R2,R2连接到VOCM。若需要,可以使用输入放大器A1的双通道版本OP2177,对于非常低的输入偏置电流,可将第二放大器用作输入缓冲器。

Figure 3A
图3(a) 改进的单端差分转换器,具有可调共模。
Figure 3B
图3(b) 输入和输出图,红线为VOP,黄线为VON,蓝线为输入。共模为0V。
Figure 3C
图3(c) 输入和输出图,红线为VOP,黄线为VON,蓝线为输入。共模为2.5 V。

在图1所示电路中,输入以VREF为基准。参见图3所示电路,输入以地为基准,直接获取后转换为差分输出。现在可以调节VOCM以使共模输出偏移,而输入仍然以地为基准。VOCM可以设为基准电压源的一半或转换器的中间电平。VOCM基本上像VIN一样,用作另一个输入。所选电阻值应满足下式:

Equation 3

通过叠加,当VIN为0时,输出值与VOCM相同。由于VOCM是设置输出共模的值,因此差分输出为0。若R1 = RG且R2 = RF,则输出电压由下式给出:

Equation 4

带宽和稳定性

两个放大器构成一个伺服环路配置的复合差分输出运算放大器。OP1177/OP2177的开环增益和ADA4940的差分增益合并,得到电路的总开环增益,其定义电路的总带宽。其极点的合并则使环路的相移增加。A2使用较高增益时,会降低其带宽,并可能影响电路整体的稳定性。电路设计人员须检查电路整体的频率响应,评估是否需要补偿。为了确保反馈系统的稳定性,经验法则是随频率而变化的合并开环增益必须以–20 dB/十倍频程的滚降速率跨过单位增益。这在最小增益(2倍增益)的应用中更为重要,因为环路增益处于最大值,相位裕量最差。提高总增益,从而减小带宽并增加反馈环路的相位裕量,也能改善稳定性。因为环路增益减小,它会在较低的频率跨过单位增益。环路增益由下式计算:

Equation 5

反馈系数β中有一个1/2 ,这 是因为输出为差分,而反馈仅从差分输出之一中获得。ADA4940在2倍增益时的带宽为50 MHz,而OP1177的单位增益带宽约为4 MHz。受限于OP1177和闭环增益,图3所示电路在带宽约为1 MHz时可稳定工作。如之前文章中所指出的,当使用差分放大器无法满足稳定性条件时,可以使用一个限带电容,如图3(a)所示。该电容与反馈环路内部的 RF形成一个积分器,将电路整体的带宽限制为:

Equation 6

可以适当选择电容和反馈电阻,使总带宽受上式限制。

参考电路

1Herrera, Sandro and Moshe Gerstenhaber. "多功能、低功耗、精密单端差分转换器.模拟对话,第46卷,第4期。


作者

Darwin Tolentino

Darwin Tolentino

Darwin Tolentino 是菲律宾ADI公司线性精密技术部门的高级测试开发工程师。他曾在产品与测试工程部门工作,为放大器和线性产品(包括转换器)开发了测试解决方案。他于2000年加入ADI公司,在半导体行业已有17年的经验。 他的兴趣包括历史和模拟电路设计。

Sandro Herrera

Sandro Herrera

Sandro Herrera 是美国马萨诸塞州威明顿市集成放大器产品(IAP)部门的一名电路设计工程师。他目前主要从事固定、可变或可编程增益的全差分放大器设计工作。Sandro拥有麻省理工学院电气工程学士学位(BSEE)和电气工程硕士学位(MSEE)。他于2005年8月加入ADI公司。