簡(jiǎn)單的分立SE至差分精密儀表放大器電路

作者：Chau Tran and Jordyn Rombola

在許多應(yīng)用中，ADC需要在存在大共模信號(hào)的情況下處理小差分輸入信號(hào)。傳統(tǒng)的儀表放大器（儀表放大器）由于其單端輸出和有限的共模范圍，在這些應(yīng)用中并不常用。為了利用其高性能和低成本的優(yōu)勢(shì)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，將其單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出，并改善其輸入共模范圍以適合這些應(yīng)用。有許多低成本儀表放大器具有帶寬、直流精度和低功耗，可以滿足所有系統(tǒng)要求。使用儀表放大器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，用戶不必構(gòu)建自己的差分放大器，這需要許多昂貴的分立元件。本文介紹了一種構(gòu)建和優(yōu)化低成本儀表放大器性能的簡(jiǎn)單方法。此外，該解決方案在成本和性能方面與單片儀表放大器相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1詳細(xì)介紹了所建議的精密系統(tǒng)設(shè)計(jì)，允許用戶在存在高共模電壓的情況下測(cè)量差分信號(hào)。該電路包括一個(gè)輸入緩沖器、一個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。緩沖器驅(qū)動(dòng)儀表放大器的基準(zhǔn)引腳，并將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出。有一個(gè)非常高的輸入共模電壓范圍。它可以處理高達(dá) ±270 V（使用 ±15 V 電源）的共模電壓，幾乎是電源上方和下方的 20 倍，這對(duì)于電機(jī)控制應(yīng)用至關(guān)重要。此外，其輸入受到高達(dá) ±500 V 的共?；虿钅Ｋ沧儽Ｗo(hù)。

圖1.單端輸入差分輸出放大器。

對(duì)于此應(yīng)用，使用±5 V電源，因此輸入電壓的共模范圍為±80 V。

差分輸出由以下公式定義：

共模輸出由下式設(shè)置：

本電路的優(yōu)點(diǎn)是直流差分精度取決于差動(dòng)放大器AD629和儀表放大器AD8421，而不是運(yùn)算放大器或外部10 kΩ電阻。此外，該電路還利用了儀表放大器相對(duì)于基準(zhǔn)電壓對(duì)其輸出電壓的精確控制。雖然運(yùn)算放大器的直流性能和電阻匹配會(huì)影響直流共模輸出精度，但這些誤差可能會(huì)被信號(hào)鏈中的下一個(gè)器件抑制，因此對(duì)整體系統(tǒng)精度影響不大。

為了獲得最佳交流性能，建議使用具有高帶寬和壓擺率的運(yùn)算放大器。在本電路中，運(yùn)算放大器的選擇是ADA4807。

為避免寄生電容使ADA4807不穩(wěn)定，應(yīng)盡可能縮短從電阻到反相端的走線長(zhǎng)度。如果不可避免地使用較長(zhǎng)的走線，請(qǐng)使用較低值的電阻。

高性能ADC通常采用5 V單電源供電，并具有自己的基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓用作差分輸出的共模電壓，無(wú)需基準(zhǔn)電壓源。因此，輸出與ADC成比例，這意味著V的任何變化裁判的ADC不會(huì)影響系統(tǒng)的性能。

該差分放大器抑制共模電壓的能力取決于AD629差分放大器內(nèi)部調(diào)整電阻的比率匹配。因此，它優(yōu)于采用分立放大器的儀表放大器。

對(duì)于具有0.1%外部電阻的分立放大器，CMR限制為54 dB。儀表放大器采用集成的精密激光調(diào)整電阻器，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) 80 dB 或更高的 CMR。這些電阻器也由相同的低漂移薄膜材料制成，因此它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)的比率匹配非常出色。

ADC可以采用5 V單電源供電，基準(zhǔn)引腳上有一個(gè)2.5 V低阻抗電源。這會(huì)將輸出設(shè)置為中間電源，并提高ADC輸入端的共模電壓。

輸出波形的示波器圖如圖2所示。兩個(gè)儀表放大器的增益均為1。V在是一個(gè) 1 V pp 10 kHz 正弦波，采用大共模電壓。V外+ 和 V外– 是 ±0.5 V pp 正弦波和余弦波。V外_diff是1 V pp的差分輸出電壓，僅為V在刪除共模。

圖2.電路性能：上圖：兩路互補(bǔ)輸出，中圖：輸入電壓與大共模，
下圖：差分輸出。

儀表放大器的增益可以通過(guò)增加一個(gè)電阻RG來(lái)增加：

該電路還可用于功耗敏感型應(yīng)用。該器件的總靜態(tài)電流為5 mA，采用5 V雙電源供電，功耗約為50 mW，比采用初級(jí)ADC驅(qū)動(dòng)器（例如AD8138和AD8131差分驅(qū)動(dòng)器放大器）或分立放大器的其他解決方案低50%。

審核編輯：郭婷