简单的分立SE至差分精密仪表放大器电路

作者：Chau Tran and Jordyn Rombola

在许多应用中，ADC需要在存在大共模信号的情况下处理小差分输入信号。传统的仪表放大器（仪表放大器）由于其单端输出和有限的共模范围，在这些应用中并不常用。为了利用其高性能和低成本的优势，可以设计一个简单的电路，将其单端输出转换为差分输出，并改善其输入共模范围以适合这些应用。有许多低成本仪表放大器具有带宽、直流精度和低功耗，可以满足所有系统要求。使用仪表放大器的另一个优点是，用户不必构建自己的差分放大器，这需要许多昂贵的分立元件。本文介绍了一种构建和优化低成本仪表放大器性能的简单方法。此外，该解决方案在成本和性能方面与单片仪表放大器相比具有竞争力。

图1详细介绍了所建议的精密系统设计，允许用户在存在高共模电压的情况下测量差分信号。该电路包括一个输入缓冲器、一个ADC驱动器和一个基准电压源。缓冲器驱动仪表放大器的基准引脚，并将单端输出转换为差分输出。有一个非常高的输入共模电压范围。它可以处理高达 ±270 V（使用 ±15 V 电源）的共模电压，几乎是电源上方和下方的 20 倍，这对于电机控制应用至关重要。此外，其输入受到高达 ±500 V 的共模或差模瞬变保护。

图1.单端输入差分输出放大器。

对于此应用，使用±5 V电源，因此输入电压的共模范围为±80 V。

差分输出由以下公式定义：

共模输出由下式设置：

本电路的优点是直流差分精度取决于差动放大器AD629和仪表放大器AD8421，而不是运算放大器或外部10 kΩ电阻。此外，该电路还利用了仪表放大器相对于基准电压对其输出电压的精确控制。虽然运算放大器的直流性能和电阻匹配会影响直流共模输出精度，但这些误差可能会被信号链中的下一个器件抑制，因此对整体系统精度影响不大。

为了获得最佳交流性能，建议使用具有高带宽和压摆率的运算放大器。在本电路中，运算放大器的选择是ADA4807。

为避免寄生电容使ADA4807不稳定，应尽可能缩短从电阻到反相端的走线长度。如果不可避免地使用较长的走线，请使用较低值的电阻。

高性能ADC通常采用5 V单电源供电，并具有自己的基准电压。该基准电压用作差分输出的共模电压，无需基准电压源。因此，输出与ADC成比例，这意味着V的任何变化裁判的ADC不会影响系统的性能。

该差分放大器抑制共模电压的能力取决于AD629差分放大器内部调整电阻的比率匹配。因此，它优于采用分立放大器的仪表放大器。

对于具有0.1%外部电阻的分立放大器，CMR限制为54 dB。仪表放大器采用集成的精密激光调整电阻器，使系统能够实现 80 dB 或更高的 CMR。这些电阻器也由相同的低漂移薄膜材料制成，因此它们在整个温度范围内的比率匹配非常出色。

ADC可以采用5 V单电源供电，基准引脚上有一个2.5 V低阻抗电源。这会将输出设置为中间电源，并提高ADC输入端的共模电压。

输出波形的示波器图如图2所示。两个仪表放大器的增益均为1。V在是一个 1 V pp 10 kHz 正弦波，采用大共模电压。V外+ 和 V外– 是 ±0.5 V pp 正弦波和余弦波。V外_diff是1 V pp的差分输出电压，仅为V在删除共模。

图2.电路性能：上图：两路互补输出，中图：输入电压与大共模，
下图：差分输出。

仪表放大器的增益可以通过增加一个电阻RG来增加：

该电路还可用于功耗敏感型应用。该器件的总静态电流为5 mA，采用5 V双电源供电，功耗约为50 mW，比采用初级ADC驱动器（例如AD8138和AD8131差分驱动器放大器）或分立放大器的其他解决方案低50%。

审核编辑：郭婷