将大多数信号链中的单端信号转换为差分信号分析

目前很多应用都需要用到差分信号，包括驱动高速模数转换器(ADC)、通过双绞线电缆传输信号、调理高保真音频信号等。由于差分信号在特定电源电压下可以提供较大信号幅度，提高了对共模噪声的抑制能力，降低了二次谐波失真，因而实现了更高的信噪比。由于这一需求，我们需要将大多数信号链中的单端信号转换为差分信号。

目前的单端转差分电路一般分为3种：

第1种是非平衡变压器电路，主要器件为一个变压器，如图1所示。

图1：非平衡变压器耦合

第2种是差分放大器电路，主要器件为一个差分放大器芯片，如图2所示。

图2：差分放大器耦合

第3种是平衡变压器耦合，主要器件为一个差分放大器芯片和一个变压器，如图3所示。

图3：平衡变压器耦合

这3种单端转差分电路的优缺点暂且不提，有兴趣的朋友可自行去查资料。就小青菜哥哥所从事的脉冲信号采集工作而言，差分放大器电路是使用最适合、最广泛的方案。接下来小青菜哥哥就以ADI公司的单端转差分芯片ADA4927介绍一下差分放大器的设计步骤，这些设计步骤同样适用于其它类型差分芯片。

术语定义，如图4所示：

图4：电路术语定义

差分电压

输出差分电压定义为：

输入差分电压定义为：

共模电压

该电压一般由ADC提供即可，其大小可表示为：

差分增益

如果同相、反相端的输入电阻RG和反馈电阻RF相等，则有上述电路的差分增益为：

输入阻抗

输入阻抗取决于差分放大器是由单端信号源驱动，还是由差分信号源驱动，对于差分输入信号（图5），两个输入端（+DIN和-DIN）之间的输入阻抗（RIN，dm）为：

图5：差分输入阻抗

对于本篇的主题，即单端输入信号（图6），输入阻抗（RIN，SE）为：

图6：单端输入阻抗

接下来我们看看如何将单端输入信号适当的端接到差分放大芯片ADA4927，设置的增益为1，RF=348Ω，RG=348Ω。通过端接输入电压为1VPP、源电阻为50Ω的输入源为例来说明操作步骤：

1，输入阻抗根据以下公式计算（图7）：

图7：计算单端输入阻抗RIN

2，为了与50Ω源阻抗匹配（图8），计算端接电阻RT时使用RT||464Ω=50Ω。最接近的RT标准阻值为56.2Ω。

图8：添加端接电阻RT

3，图8表明，由于添加了端接电阻RT，现在上反馈环路中的有效RG大于下环路中的RG。为了补偿增益电阻的不平衡性，需要在下环路添加一个校正电阻RTS，并使其与下环路的RG串联。RTS是源电阻RS和端接电阻RT的戴维南等效电路（图9），等于RS||RT。

图9：戴维南等效电路

RTS=RTH=RS||RT=26.5Ω（取标准电阻26.7Ω）。这里我们需要注意，从戴维南等效电路可以看出，等效输入电压VTH大于1VPP。经过调整后的电路如下图10所示：

图10：戴维南等效值和匹配增益电阻

到现在为止，电路基本设计完成了。通过上述几个步骤，我们确定了信号等效输入阻抗为50Ω，上下反馈环路也保持平衡。但是还有两个个问题：

1) 两个环路中的等效RG值均变大了（加入了RTS），这导致我们需要的增益略小于1。

2) 由于RT=56.2Ω，而不是50Ω，所以等效输入电压VTH的值要略大约1VPP，而我们设计的输入范围是1VPP。

这两点对输入电压幅度的影响刚好相反，对于反馈环路中的大电阻值（~1kΩ），影响相互抵消。也就是说通过这样的设计后，输入信号幅度变大了，但是增益变小了，所以对输出信号幅度无影响。但是对于小阻值的RF或RG或高增益来说，减小的闭环增益不能通过增加的VTH完全消除，必须通过接下来的第4步来解决：

4，在本例中，期望的差分输出是1VPP，因为端接的输入信号是1VPP，闭环增益是1。然而实际的差分输出电压等于1.06VPP*348/(348+26.7)=0.984VPP。为了获得期望的1VPP输出电压，可以通过增加RF来实现最终的增益调整，而不需要更改任何输入电路。RF计算公式如下：

选择RF为标准电阻357Ω可提供1.01VPP的差分输出电压。最终电路如下图11所示：

图11：端接的单端转差分电路，G=1

 

 

原文标题：ADC单端转差分电路分析

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责任编辑:haq