精密单端至差分信号转换电路可提升系统动态范围

作者：Darwin Tolentino and Sandro Herrera

差分信号在需要大信噪比、高抗噪声性和低二次谐波失真的电路中非常有用，例如驱动高性能ADC和高保真音频信号调理。《模拟对话》上之前的相关文章“多功能、低功耗、精密单端至差分转换器”1提供大幅改进的单端至差分电路，具有非常高的输入阻抗、2 nA最大输入偏置电流、60 μV最大失调（RTI）和0.7 μV/°C最大失调漂移。通过在反馈环路中将OP1177与差分增益为1的AD8476级联来实现性能的提高。

图1.改进的单端至差分转换器。

然而，在许多应用中，希望具有更大的输出动态范围，例如在传感器输出的信号调理中，例如温度和压力。由于能够调整共模，电路在与许多ADC接口时非常方便，在这些ADC中，基准电压源决定了满量程范围。

图2.具有改进动态范围的单端至差分转换器。

将环路内的差分放大器配置为增益大于1，会增加电路的输出动态范围（图 2）。输出由以下等式给出：

当 RG保持开路，电路的总增益为2。A1的输出OP1177由下式给出：

请注意，V裁判总是添加到OP1177的输出中，从而限制了其输出裕量。在大多数应用中，V裁判（输出共模）设置在电源的中心，以获得最大的输出动态范围。环路内的差分放大器配置为增益大于1，例如图2中的ADA4940（增益为2），可将A1的输出电压降低A2差分增益的倍数，并有助于避免A1的输出饱和。由于OP1177在±5 V电源下的典型输出摆幅为4.1 V，因此图2中电路的差分输出电压摆幅在V时约为±8 V。裁判设置为 0。将A2配置为增益3可进一步改善输出动态范围，并实现电路的最大输出摆幅。另一个放大器ADA4950的可用增益为1、2和3，也可能适用于A2。

可调输出共模

可以修改电路，使输出共模可调，并且独立于输入信号的共模。这为单电源应用增加了极大的灵活性和便利性，在这些应用中，输入以接地为前提，并且需要转换为具有更高共模的差分信号，以便ADC接口。

这可以通过在输入R处增加两个电阻来实现。1和 R2，其中 R2绑定到 VOCM.如果需要，使用双通道输入放大器A1的OP2177，可将第二个放大器用作输入的缓冲器，以实现极低的输入偏置电流。

图3（a）。改进型单端至差分转换器，具有可调共模。

图3（b）。输入和输出图，VOP红色，V上以黄色显示，以蓝色输入。共模为0 V。

图3（c）。输入和输出图，VOP红色，V上以黄色显示，以蓝色输入。共模电压为2.5 V。

在图1电路中，输入参考V。裁判.参考图3中的电路，输入直接参考接地并转换为差分输出。五世OCM现在可以调整以在输入保持以地为基准时转换共模输出。五世OCM可以连接到基准电压源的一半或转换器的中间电平。五世OCM基本上与 V 一起充当另一个输入在.电阻值的选择应符合

通过叠加，当 V在为 0，输出强制值与 V 相同OCM.而由于VOCM是设置输出共模的值，差分输出为零。如果 R1= RG和 R2= RF，输出电压由下式给出：

带宽和稳定性

两个放大器构成一个采用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的差分增益相结合，构成电路的总开环增益，定义了电路的总带宽。它们的极点结合在一起，在环路中增加了相移。A2的较高增益会降低其带宽，并可能影响整个电路的稳定性。电路设计人员必须检查整个电路频率响应并评估补偿需求。经验法则是，频率范围内的组合开环增益必须越过单位增益（–20 dB/十倍频程滚降），以确保反馈系统的稳定性。这在具有最小增益（增益为2）的应用中尤其重要，其中环路增益最大且相位裕量最差。较高的总增益还可以通过降低带宽和增加反馈环路的相位裕量来提高稳定性。由于环路增益降低，因此它以较低的频率越过单位增益。环路增益由下式给出：

反馈因子β在该项中有 1/2，因为输出是差分的，并且反馈仅取自其中一个差分输出。ADA4940的带宽为50 MHz，增益为2，而OP1177的单位增益带宽约为4 MHz。图3中的电路在带宽约为1 MHz时保持稳定，受OP1177和闭环增益的限制。如上一篇文章所述，当使用不同的放大器无法满足稳定性条件时，可以使用带宽限制电容器，如图3（a）所示。电容在反馈环路内与RF形成积分器，并将整个电路的带宽限制在

可以选择电容和反馈电阻，使总带宽受上述公式的限制。

审核编辑：郭婷