使用单端仪表放大器实现全差分输出

Matthew “Rusty” Juszkiewicz

随着精度的不断提升，全差分信号链组件的性能越来越受欢迎，其中一个主要优势是噪声抑制，可以通过信号路由拾取。由于输出会拾取这种噪声，因此误差会很常见，因此在信号链中会进一步衰减。此外，在同一电源上，差分信号可以实现两倍于单端信号的信号范围。因此，对于全差分信号，信噪比（SNR）更高。经典的三运放仪表放大器（仪表放大器）具有许多优点，包括共模信号抑制、高输入阻抗和精确（可调）增益;但是，当需要全差分输出信号时，它就不足了。已经使用了几种方法来实现使用标准元件的全差分仪表放大器。但是，它们也有其自身的缺点。

图1.经典仪表放大器。

一种技术是使用运算放大器驱动基准引脚，正输入为共模，负输入位于两个将输出连接在一起的匹配电阻的中心。此配置使用仪表放大器输出作为正输出，将运算放大器输出用作负输出。由于两个输出是不同的放大器，这些放大器之间的动态性能不匹配会极大地影响整体电路性能。此外，两个电阻的匹配会导致输出共模随输出信号移动，从而导致失真。设计该电路时，在选择放大器时必须考虑稳定性，并且可能需要在运算放大器上安装反馈电容，这限制了电路的总带宽。最后，该电路的增益范围基于仪表放大器。因此，小于 1 的增益是无法实现的。

图2.使用外部运算放大器产生反相输出。

另一种技术是将两个仪表放大器并联，并联开关输入。与以前的电路相比，这种配置具有更好的匹配驱动电路和频率响应。但是，它不能获得少于两个的收益。该电路还需要精密匹配增益电阻来实现纯差分信号。这些电阻的失配会导致输出共模电平发生偏移，其影响与以前的架构相同。

图3.使用第二个仪表放大器产生反相输出。

这两种方法对可实现的增益以及对匹配元件的要求都有限制。

新的交叉连接技术

如图4所示，通过交叉连接两个仪表放大器，该新电路使用单个增益电阻提供具有精确增益或衰减的全差分输出。通过将两个基准引脚连接在一起，用户可以根据需要调整输出共模。

图4.交叉连接技术—产生差分仪表放大器输出的解决方案。

In_A的增益由以下公式得出。由于输入电压出现在仪表放大器2输入缓冲器的正端，而电阻R2和R3的另一端为0 V，因此这些缓冲器的增益遵循同相运算放大器配置的公式。类似地，对于仪表放大器1的输入缓冲器，增益遵循反相运算放大器配置。由于差动放大器中的所有电阻都匹配，因此缓冲器输出的增益是一致的。

图5.仪表放大器内部的匹配电阻是交叉连接技术的关键。

通过对称性，如果在In_B施加电压V2，在地施加In_A，则结果如下：

将两个结果结合起来，得到电路的增益。

增益电阻R3和R2设置电路的增益，只需一个即可实现全差分信号。正/负输出取决于安装的电阻器。不安装R3将导致增益方程中的第二项变为零。因此，所得增益为R2/R1×2。不安装R2将导致增益方程中的第一个项变为零。因此，所得增益为R2/R1×3。需要注意的另一件事是，增益纯粹是一个比率，因此可以实现小于 2 的增益。请记住，由于R3和R<>对增益的影响相反，包括两个增益电阻会使第一级的增益高于输出。如果在选择电阻值时不小心，这可能会加剧第一级运算放大器引起的输出失调。

为了演示该电路的使用，将两个仪表放大器AD8221连接在一起。数据手册列出的R1为24.7 kΩ，因此当R2为49.4 kΩ时，可以实现<>的增益。

CH1 是 In_A 处的输入信号，CH2 是 V外_A，CH3 为 V外红细胞输出A和B匹配且异相，并且与输入信号的幅度差相等。

图6.增益 = 1 的测量结果使用交叉连接技术生成差分仪表放大器输出信号。

接下来，通过将49.4 kΩ增益电阻从R2移至R3，电路的新增益为–1。现在Out_A与输入异相，输出之间的差等于输入信号的幅度。

图 7.增益 = –1 的测量结果，使用交叉连接技术生成差分放大器内输出信号。

如前所述，其他技术的一个限制是无法实现衰减。按照增益公式，使用R2 = 98.8 kΩ，电路将输入信号衰减两倍。

图 8.增益 = 1/2 的测量结果，使用交叉连接技术生成差分仪表放大器输出信号。

最后，为了证明高增益，选择R2 = 494 Ω来实现G = 100。

图9.增益 = 100 的测量结果采用交叉连接技术生成差分仪表放大器输出信号。

电路执行如增益方程所述。为了获得最佳性能，使用此电路时应采取一些预防措施。增益电阻的精度和漂移会增加仪表放大器的增益误差，因此根据误差要求选择合适的容差。由于仪表放大器Rg引脚上的电容会导致频率性能不佳，因此如果需要高频性能，则应小心这些节点。此外，两个仪表放大器之间的温度不匹配会因失调漂移而导致系统失调，因此此处应注意布局和负载。使用像AD8222这样的双通道仪表放大器有助于克服这些潜在问题。

结论

交叉连接技术在保持仪表放大器所需特性的同时提供附加功能。尽管讨论的所有示例都实现了差分输出，但在交叉连接电路中，输出的共模不像其他架构那样受到电阻对失配的影响。因此，始终可以实现真正的差分输出。此外，如增益公式所示，差分信号衰减是可能的，这消除了以前需要漏斗放大器的需要。最后，输出的极性由增益电阻的位置（使用R2或R3）决定，这为用户提供了更大的灵活性。

审核编辑：郭婷