簡單分立式單端轉(zhuǎn)差分精密儀表放大器電路介紹

簡介

在許多應用中，ADC需要在存在大共模信號的情況下處理一個很小的差分輸入信號。傳統(tǒng)的儀表放大器（In-Amp）只具有單端輸出和有限的共模范圍，因此在這些應用中并不常用。為了充分利用這些器件的高性能和低成本，可以設(shè)計一個簡單的電路，將其單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出，并且改善其輸入共模范圍，使之更適合這些應用。許多低成本儀表放大器所具備的帶寬、直流精度和低功耗可以滿足所有的系統(tǒng)要求。使用儀表放大器的另一好處是，用戶無需構(gòu)建自己的差分放大器，因此省去了很多高成本的分立器件。本文將提出一種簡單的方法來構(gòu)建一個低成本儀表放大器并優(yōu)化其性能。此外，該解決方案的成本和性能與單芯片儀表放大器不相上下。

圖1詳細介紹了所提出的精密系統(tǒng)設(shè)計，該設(shè)計允許用戶在存在高共模電壓的情況下測量差分信號。該電路包括一個輸入緩沖器、一個ADC驅(qū)動器和一個基準電壓源。緩沖器驅(qū)動儀表放大器的參考引腳，并將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出。該電路具有非常高的輸入共模電壓范圍。它可以處理 高達±270 V的共模電壓（采用±15 V電源供電）， 在正負方向幾乎達到電源電壓的20倍，這是電機控制應用的關(guān)鍵。此外，還對輸入提供高達±500 V的共?；虿钅Ｋ沧儽Ｗo。

圖1. 單端輸入差分輸出放大器

此應用使用±5 V電源，這樣輸入電壓才能具有±80 V共模范圍。

差分輸出由如下公式確定：

VOUT_ diff = VOUT+ - VOUT - = 增益 × （VIN）

共模輸出由如下公式設(shè)置：

VOUT_ CM = （VOUT+ - VOUT -）/2= VREF

這個電路的好處是直流差分精度取決于AD629差動放大器和AD8421儀表放大器，而不是運算放大器或者外部10 k？電阻。此外，這個電路充分利用了儀表放大器對其基準電壓相關(guān)的輸出電壓的精確控制。雖然運算放大器的直流性能和電阻匹配會影響直流共模輸出精度，但是這些誤差很可能會被信號鏈路上的下一個器件抑制，因此它對整個系統(tǒng)精度的影響將會很小。

為獲得最佳交流性能，推薦使用具有高帶寬和高壓擺率的運算放大器。此電路中選擇的運算放大器是ADA4807。為了避免寄生電容使ADA4807不穩(wěn)定，電阻至反相輸入端之間的走線長度應盡可能短。如果必須使用較長的走線，需使用阻值較低的電阻。

高性能ADC通常采用5 V單電源，并具有自身的基準電壓。該基準電壓用作差分輸出的共模電壓，從而無需使用基準電壓源。因此，其輸出與ADC成比例，這 意味著ADC的VREF任何變化都不會影響系統(tǒng)的性能。

此差動放大器抑制共模電壓的能力取決于AD629差動放大器內(nèi)部微調(diào)電阻的比例匹配。因此，它比采用分立式放大器的儀表放大器更好。

對于采用0.1%外部電阻的分立式放大器，CMR限制為54 dB。儀表放大器集成了精密的激光微調(diào)電阻，使系統(tǒng)的CMR可達到80dB或更高。這些電阻均采用相同的低漂移薄膜材料制成，因此在一定溫度范圍內(nèi)可提供出色的比例匹配。ADC可采用5V單電源供電，參考引腳上有2.5V低阻抗電壓源。這樣可將輸出設(shè)為中間電源，并升高ADC輸入端呈現(xiàn)的共模電壓。

示波器輸出波形曲線如圖2所示。兩個儀表放大器的增益均為1。VIN是一個大共模電壓上的1 V pp 10 kHz正弦波。VOUT+和VOUT–分別是±0.5 V pp正弦波和余弦波。VOUT_diff是1 V pp差分輸出電壓，也就是消除共模信號后 的VIN。

圖2. 電路的性能：頂部：兩個互補輸出，中間：帶有大共模信號的輸入電壓，底部：差分輸出。

通過增加一個電阻RG可以提高儀表放大器的增益：

增益 = 1 + （9.9 kΩ/RG）

此電路也可以用于功耗敏感型應用?？傡o態(tài)電流為5 mA，采用5V雙電源，其功耗僅約50 mW，相較于其他采用基本ADC驅(qū)動器（例如，AD8138和AD8131差分驅(qū)動放大器）或分立式放大器的解決方案，功耗節(jié)省達50%。