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作者：Rusty Juszkiewicz
問：我們可以使用儀表放大器生成差分輸出信號(hào)嗎？
答：隨著對(duì)精度要求的不同提高，全差分信號(hào)鏈組件因出色的性能脫穎而出，這類組件的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是可通過信號(hào)路由拾取噪聲抑制。由于輸出會(huì)拾取這種噪聲，輸出經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤差并因而在信號(hào)鏈中進(jìn)一步衰減。此外，差分信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)兩倍于同一電源上的單端信號(hào)的信號(hào)范圍。因此，全差分信號(hào)的信噪比(SNR)更高。經(jīng)典的三運(yùn)放儀表放大器具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括共模信號(hào)抑制、高輸入阻抗和精確（可調(diào)）增益；但是，在需要全差分輸出信號(hào)時(shí)，它就無能為力了。人們已經(jīng)使用一些方法，用標(biāo)準(zhǔn)組件實(shí)現(xiàn)全差分儀表放大器。但是，它們有著各自的缺點(diǎn)。
圖1.經(jīng)典儀表放大器。
一種技術(shù)是使用運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)參考引腳，正輸入為共模，負(fù)輸入為將輸出連接在一起的兩個(gè)匹配電阻的中心。該配置使用儀表放大器輸出作為正輸出，運(yùn)算放大器輸出作為負(fù)輸出。由于兩個(gè)輸出是不同的放大器，因此這些放大器之間動(dòng)態(tài)性能的失配會(huì)極大地影響電路的整體性能。此外，兩個(gè)電阻的匹配導(dǎo)致輸出共模隨輸出信號(hào)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果可能導(dǎo)致失真。在設(shè)計(jì)該電路時(shí)，在選擇放大器時(shí)必須考慮穩(wěn)定性，并且可能需要在運(yùn)算放大器上設(shè)置一個(gè)反饋電容，用于限制電路的總帶寬。最后，該電路的增益范圍取決于儀表放大器。因此，不可能實(shí)現(xiàn)小于1的增益。
圖2.使用外部運(yùn)算放大器生成反相輸出。
另一種技術(shù)是將兩個(gè)儀表放大器與輸入開關(guān)并聯(lián)。與前一電路相比，這種配置具有更好的匹配驅(qū)動(dòng)電路和頻率響應(yīng)。但它不能實(shí)現(xiàn)小于2的增益。該電路還需要精密匹配增益電阻，以實(shí)現(xiàn)純差分信號(hào)。這些電阻的失配會(huì)導(dǎo)致輸出共模電平的變化，其影響與先前的架構(gòu)相同。
圖3.使用第二儀表放大器產(chǎn)生反相輸出。
這兩種方法對(duì)可實(shí)現(xiàn)的增益以及匹配組件的要求存在限制。
新型交叉連接技術(shù)
通過交叉連接兩個(gè)儀表放大器，如圖4所示，這種新電路使用單個(gè)增益電阻提供具有精密增益或衰減的全差分輸出。通過將兩個(gè)參考引腳連接在一起，用戶可以根據(jù)需要調(diào)整輸出共模。
圖4.交叉連接技術(shù)——生成差分儀表放大器輸出的解決方案。
In_A的增益由以下等式推出。由于輸入電壓出現(xiàn)在儀表放大器2的輸入緩沖器的正端子上，而電阻R2和R3另一端的電壓為0 V，因此這些緩沖器的增益遵循適用于同相運(yùn)算放大器配置的等式。同樣，對(duì)于儀表放大器1的輸入緩沖器，增益遵循反相運(yùn)算放大器配置。由于差分放大器中的所有電阻都匹配，因此緩沖器輸出的增益為1。
圖5.儀表放大器內(nèi)部的匹配電阻是交叉連接技術(shù)的關(guān)鍵。
VOUT_A = –V1 × (R1/R3 – R1/R2)
VOUT_B = V1 × (R1/R3 – R1/R2)
根據(jù)對(duì)稱性原則，如果在In_B施加電壓V2且In_A接地，則結(jié)果如下：
VOUT_A = V2 × (R1/R3 – R1/R2)
VOUT_B = –V2 × (R1/R3 – R1/R2)
將這兩個(gè)結(jié)果相加得到電路的增益。
VIN = In_A – In_B = V1 – V2
VOUT = VOUT_A – VOUT_B
增益 = 2 × (R1/R2 – R1/R3)
增益電阻R3和R2設(shè)置電路的增益，并且只需要一個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)全差分信號(hào)。正/負(fù)輸出取決于安裝的電阻。不安裝R3將導(dǎo)致增益等式中的第二項(xiàng)變?yōu)榱�。由此可得，增益�?×R1/R2。不安裝R2會(huì)導(dǎo)致增益等式中的第一項(xiàng)變?yōu)榱�。由此可得，增益�?2×R1/R3。需要注意的另一點(diǎn)是增益純粹是一個(gè)比率，因此可以實(shí)現(xiàn)小于1的增益。請(qǐng)記住，由于R2和R3對(duì)增益有相反的影響，所以，使用兩個(gè)增益電阻會(huì)使第一級(jí)增益高于輸出。如果在選擇電阻值時(shí)不小心，結(jié)果會(huì)加大由于第一級(jí)運(yùn)算放大器在輸出端引起的偏差。
為了演示這個(gè)電路的實(shí)際運(yùn)用情況，我們把兩個(gè)AD8221儀表放大器連接起來。數(shù)據(jù)手冊(cè)將R1列為24.7kΩ，因此當(dāng)R2為49.4kΩ時(shí)，可實(shí)現(xiàn)等于1的增益。
CH1是In_A的輸入信號(hào)，CH2為VOUT_A，CH3為VOUT_B。輸出A和B匹配且反相，差值在幅度上等于輸入信號(hào)。
圖6.使用交叉連接技術(shù)生成差分儀表放大器輸出信號(hào)，在增益=1的條件下測(cè)得的結(jié)果。
接下來，將49.4kΩ增益電阻從R2移至R3，電路的新增益為-1�，F(xiàn)在Out_A與輸入反相，輸出之間的差值在幅度上等于輸入信號(hào)。
圖7.使用交叉連接技術(shù)生成差分儀表放大器輸出信號(hào)，在增益=-1的條件下測(cè)得的結(jié)果。
如前所述，其他技術(shù)的一個(gè)限制是無法實(shí)現(xiàn)衰減。根據(jù)增益等式，使用R2 =98.8kΩ，電路會(huì)使輸入信號(hào)衰減兩倍。
圖8.使用交叉連接技術(shù)生成差分儀表放大器輸出信號(hào)，在增益=1/2的條件下測(cè)得的結(jié)果。
最后，為了證明高增益，選擇R2=494Ω以實(shí)現(xiàn)G=100。
圖9.使用交叉連接技術(shù)生成差分儀表放大器輸出信號(hào)儀表放大器，在增益=100條件下測(cè)得的結(jié)果。
該電路的性能表現(xiàn)符合增益等式的描述。為了獲得最佳性能，使用此電路時(shí)應(yīng)采取一些預(yù)防措施。增益電阻的精度和漂移會(huì)增加儀表放大器的增益誤差，因此要根據(jù)誤差要求選擇合適的容差。由于儀表放大器的Rg引腳上的電容可能導(dǎo)致較差的頻率性能，因此如果需要高頻性能，應(yīng)注意這些節(jié)點(diǎn)。此外，兩個(gè)儀表放大器之間的溫度失配會(huì)因失調(diào)漂移導(dǎo)致系統(tǒng)失調(diào)，因此在此應(yīng)注意布局和負(fù)載。使用雙通道儀表放大器，如AD8222，有助于克服這些潛在的問題。
結(jié)論
交叉連接技術(shù)保持儀表放大器的所需特性，同時(shí)提供附加功能。盡管本文討論的所有示例都實(shí)現(xiàn)了差分輸出，但在交叉連接電路中，輸出的共模不會(huì)受電阻對(duì)失配的影響，與其他架構(gòu)不同。因此，始終都能實(shí)現(xiàn)真正的差分輸出。而且，如增益等式所示，差分信號(hào)衰減是可能存在的，這就消除了采用漏斗放大器的必要性，在以前，這是必不可少的。最后，輸出的極性由增益電阻的位置決定（使用R2或R3），這為用戶增加了更多的靈活性。
作者介紹：
Matthew“Rusty”Juszkiewicz [rusty.juszkiewicz@analog.com]是位于馬薩諸塞州威爾明頓的ADI公司線性產(chǎn)品與解決方案(LPS)事業(yè)部的一名產(chǎn)品工程師。他在美國(guó)東北大學(xué)獲得電子工程碩士學(xué)位后于2015年加入ADI公司
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