作者：Darwin Tolentino and Sandro Herrera

差分信號在需要大信噪比、高抗噪聲性和低二次諧波失真的電路中非常有用，例如驅(qū)動高性能ADC和高保真音頻信號調(diào)理。《模擬對話》上之前的相關(guān)文章“多功能、低功耗、精密單端至差分轉(zhuǎn)換器”1提供大幅改進(jìn)的單端至差分電路，具有非常高的輸入阻抗、2 nA最大輸入偏置電流、60 μV最大失調(diào)（RTI）和0.7 μV/°C最大失調(diào)漂移。通過在反饋環(huán)路中將OP1177與差分增益為1的AD8476級聯(lián)來實現(xiàn)性能的提高。

圖1.改進(jìn)的單端至差分轉(zhuǎn)換器。

然而，在許多應(yīng)用中，希望具有更大的輸出動態(tài)范圍，例如在傳感器輸出的信號調(diào)理中，例如溫度和壓力。由于能夠調(diào)整共模，電路在與許多ADC接口時非常方便，在這些ADC中，基準(zhǔn)電壓源決定了滿量程范圍。

圖2.具有改進(jìn)動態(tài)范圍的單端至差分轉(zhuǎn)換器。

將環(huán)路內(nèi)的差分放大器配置為增益大于1，會增加電路的輸出動態(tài)范圍（圖 2）。輸出由以下等式給出：

當(dāng) RG保持開路，電路的總增益為2。A1的輸出OP1177由下式給出：

請注意，V裁判總是添加到OP1177的輸出中，從而限制了其輸出裕量。在大多數(shù)應(yīng)用中，V裁判（輸出共模）設(shè)置在電源的中心，以獲得最大的輸出動態(tài)范圍。環(huán)路內(nèi)的差分放大器配置為增益大于1，例如圖2中的ADA4940（增益為2），可將A1的輸出電壓降低A2差分增益的倍數(shù)，并有助于避免A1的輸出飽和。由于OP1177在±5 V電源下的典型輸出擺幅為4.1 V，因此圖2中電路的差分輸出電壓擺幅在V時約為±8 V。裁判設(shè)置為 0。將A2配置為增益3可進(jìn)一步改善輸出動態(tài)范圍，并實現(xiàn)電路的最大輸出擺幅。另一個放大器ADA4950的可用增益為1、2和3，也可能適用于A2。

可調(diào)輸出共模

可以修改電路，使輸出共模可調(diào)，并且獨立于輸入信號的共模。這為單電源應(yīng)用增加了極大的靈活性和便利性，在這些應(yīng)用中，輸入以接地為前提，并且需要轉(zhuǎn)換為具有更高共模的差分信號，以便ADC接口。

這可以通過在輸入R處增加兩個電阻來實現(xiàn)。1和 R2，其中 R2綁定到 VOCM.如果需要，使用雙通道輸入放大器A1的OP2177，可將第二個放大器用作輸入的緩沖器，以實現(xiàn)極低的輸入偏置電流。

圖3（a）。改進(jìn)型單端至差分轉(zhuǎn)換器，具有可調(diào)共模。

圖3（b）。輸入和輸出圖，VOP紅色，V上以黃色顯示，以藍(lán)色輸入。共模為0 V。

圖3（c）。輸入和輸出圖，VOP紅色，V上以黃色顯示，以藍(lán)色輸入。共模電壓為2.5 V。

在圖1電路中，輸入?yún)⒖糣。裁判.參考圖3中的電路，輸入直接參考接地并轉(zhuǎn)換為差分輸出。五世OCM現(xiàn)在可以調(diào)整以在輸入保持以地為基準(zhǔn)時轉(zhuǎn)換共模輸出。五世OCM可以連接到基準(zhǔn)電壓源的一半或轉(zhuǎn)換器的中間電平。五世OCM基本上與 V 一起充當(dāng)另一個輸入在.電阻值的選擇應(yīng)符合

通過疊加，當(dāng) V在為 0，輸出強制值與 V 相同OCM.而由于VOCM是設(shè)置輸出共模的值，差分輸出為零。如果 R1= RG和 R2= RF，輸出電壓由下式給出：

帶寬和穩(wěn)定性

兩個放大器構(gòu)成一個采用伺服環(huán)路配置的復(fù)合差分輸出運算放大器。OP1177/OP2177的開環(huán)增益和ADA4940的差分增益相結(jié)合，構(gòu)成電路的總開環(huán)增益，定義了電路的總帶寬。它們的極點結(jié)合在一起，在環(huán)路中增加了相移。A2的較高增益會降低其帶寬，并可能影響整個電路的穩(wěn)定性。電路設(shè)計人員必須檢查整個電路頻率響應(yīng)并評估補償需求。經(jīng)驗法則是，頻率范圍內(nèi)的組合開環(huán)增益必須越過單位增益（–20 dB/十倍頻程滾降），以確保反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這在具有最小增益（增益為2）的應(yīng)用中尤其重要，其中環(huán)路增益最大且相位裕量最差。較高的總增益還可以通過降低帶寬和增加反饋環(huán)路的相位裕量來提高穩(wěn)定性。由于環(huán)路增益降低，因此它以較低的頻率越過單位增益。環(huán)路增益由下式給出：

反饋因子β在該項中有 1/2，因為輸出是差分的，并且反饋僅取自其中一個差分輸出。ADA4940的帶寬為50 MHz，增益為2，而OP1177的單位增益帶寬約為4 MHz。圖3中的電路在帶寬約為1 MHz時保持穩(wěn)定，受OP1177和閉環(huán)增益的限制。如上一篇文章所述，當(dāng)使用不同的放大器無法滿足穩(wěn)定性條件時，可以使用帶寬限制電容器，如圖3（a）所示。電容在反饋環(huán)路內(nèi)與RF形成積分器，并將整個電路的帶寬限制在

可以選擇電容和反饋電阻，使總帶寬受上述公式的限制。

審核編輯：郭婷