低功耗、低成本、差分输入至单端输出放大器

Chau Tran and Jordyn Rombola

在许多应用中，需要低功耗、高性能差分放大器将小差分信号转换为可读的接地参考输出信号。两个输入端的输入电压通常共享一个大的共模电压。差分放大器抑制共模电压，剩余电压被放大，并以单端电压的形式出现在放大器输出端。抑制电压可以是交流或直流，该共模电压通常大于差分输入电压。抑制的有效性随着共模电压频率的增加而降低。同一封装内的放大器具有更好的匹配性、相同的寄生电容，并且无需外部布线。因此，高性能、高带宽双通道放大器的频率性能优于分立放大器。

一个简单的解决方案是使用具有阻性增益网络的双通道精密放大器，如图1所示。本电路展示了一种将差分输入转换为增益可调的单端输出的简单方法。系统的增益可通过公式1设置：

其中增益 = RF/1 kΩ 和 （V在1 – V在2）是差分输入电压

图 1.差分输入、单端输出放大器。

通常，当存在EMI或RFI时，这种技术可提供更稳定的读数，因此，当噪声存在问题时，建议使用该技术。在测量热电偶、应变计和桥式压力传感器输入时尤其如此，因为它们在嘈杂的环境中产生非常小的信号。

与单端输入相比，该电路不仅可以测量传感器正负端之间的电压差，还可以提供共模抑制和一定的系统增益，从而提供性能改进。此外，传感器接地可能与模拟接地不同。以地为基准的输出电压在许多应用中都很重要。系统的精度取决于网络电阻的容差。

该电路可将差分输入转换为增益可调的单端输出。系统的增益可以通过RF和RG1的比值来设置，假设RG2 = RG1，放大器B的增益为–1。

例如，ADA4807-2是一款180 MHz双通道放大器，可用作此应用的反相放大器，该电路的噪声更低。该电路每个放大器的静态电流低至1000 μA，非常适合低功耗、高分辨率数据转换系统。

输入共模可以超过电源电压。输出为轨到轨，这使得其在存在大共模信号或大输出电压应用中非常有用。例如，数据采集板具有一个ADC，可接受0 V至5 V的单端输入。然而，信号源恰好是从传感器桥产生的差分电压，其中在存在公共噪声的情况下，一个端子摆动为正，而另一个端子根据压力摆动为负。

图2.简单差分至单端放大器的性能。

图2中的曲线是通过施加差分输入电压并改变电路增益得出的。RF的值决定了系统的增益。可以看出，该图显示了1、2和4的系统增益，1 kHz时的差分输入电压为1 V p-p。

该电路可用于测量两个大电压之间的微小差值。例如，考虑一种精度仅为1%的解决方案，用于监控典型惠斯通电桥电路，该电路在3 V电池供电系统中由3 V/GND激励。使用1%或更好的电阻将允许所需的精度水平，并且电路将抑制任何共模，并通过电路设置的增益放大衰减的电桥信号。如果驱动ADC，则需要进行一些电平转换，以获得0 V至5 V范围内的输出信号。

该电路兼具出色的失真和低静态电流。2 运算放大器解决方案可降低系统成本，使用差分放大器可产生更好的性能。

审核编辑：郭婷