如何實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本的差分輸入轉(zhuǎn)單端輸出放大器電路？

許多應(yīng)用都需要使用低功耗、高性能的差分放大器，將小差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成可讀的接地參考輸出信號(hào)。兩個(gè)輸入端通常共用一個(gè)大共模電壓。差分放大器會(huì)抑制共模電壓，剩余電壓經(jīng)放大后，在放大器輸出端表現(xiàn)為單端電壓。共模電壓可以是交流或直流電壓，此電壓通常會(huì)大于差分輸入電壓。抑制效果隨著共模電壓頻率增加而降低。相同封裝內(nèi)的放大器擁有更好的匹配性能、相同的寄生電容，并且不需要外部接線。因此，相比分立式放大器，高性能、高帶寬的雙通道放大器擁有更出色的頻率表現(xiàn)。

一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案就是使用阻性增益網(wǎng)絡(luò)的雙通道精密放大器，如圖1所示。此電路顯示了一種將差分輸入轉(zhuǎn)換為帶可調(diào)增益的單端輸出的簡(jiǎn)單方式。系統(tǒng)增益可通過(guò)公式1確定：

其中，增益= RF/1 k，且 (V_IN1 – V_IN2) 是差分輸入電壓。

圖1. 差分輸入單端輸出放大器

通常，這種方法可以在出現(xiàn)EMI或RFI時(shí)提供更加穩(wěn)定的讀取功能，因此，建議在存在噪聲問(wèn)題的情況下使用。在測(cè)量熱電偶、應(yīng)變片和電橋式壓力傳感器輸入時(shí)尤其如此，因?yàn)樗鼈兛梢栽卩须s的環(huán)境中提供極小的信號(hào)。

此電路不僅能測(cè)量傳感器正負(fù)端的電壓差，還能提供帶部分系統(tǒng)增益的共模抑制功能，實(shí)現(xiàn)比單端輸入更優(yōu)越的性能改進(jìn)。此外，此傳感器地還可不同于模擬地。接地輸出電壓參考在許多應(yīng)用中都非常重要。系統(tǒng)精度取決于網(wǎng)絡(luò)電阻的容差。

電路可以將差分輸入轉(zhuǎn)換為帶可調(diào)增益的單端輸出。系統(tǒng)增益可以通過(guò)RF和RG1的比值來(lái)設(shè)定，假設(shè)RG2 = RG1且放大器B的增益為-1。

例如，180 MHz雙通道放大器ADA4807-2可以構(gòu)建為一個(gè)針對(duì)此應(yīng)用的反相放大器，并且此電路的噪聲較低。此電路擁有較低的靜態(tài)電流（1000 A/放大器），適合低功耗、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

輸入共模電壓將會(huì)高于電源電壓。采用軌到軌輸出，這在大共模信號(hào)或大輸出電壓應(yīng)用中非常有用。例如，數(shù)據(jù)采集板擁有可接受0 V至5 V單端輸入的ADC。但是，信號(hào)源恰巧是傳感器電橋產(chǎn)生的差分電壓，電橋一個(gè)端子為正，而另一個(gè)端子為負(fù)，以響應(yīng)存在共模噪聲情況下的壓力。

圖2. 差分轉(zhuǎn)單端放大器的性能

圖2顯示的是施加差分輸入電壓和電路增益變動(dòng)的情況。RF值可設(shè)置系統(tǒng)增益。可以看到，這張圖顯示的是系統(tǒng)增益1、2 和4，且1 kHz時(shí)的差分輸入電壓為1 V p-p。

此電路對(duì)于測(cè)量?jī)蓚€(gè)大電壓之間的小差異非常有用。例如，可以考慮一個(gè)解決方案，利用1%的簡(jiǎn)單精度來(lái)監(jiān)控由3 V電池供電系統(tǒng)中的3 V/GND供電的典型Wheatstone電橋電路。使用1%電阻或更優(yōu)電阻可實(shí)現(xiàn)所需的精度水平，并且此電路將會(huì)抑制任何共模并按照設(shè)置的電路增益放大衰減電橋信號(hào)。如果驅(qū)動(dòng)ADC，則需要應(yīng)用一些電平轉(zhuǎn)換功能，獲得0 V至5 V范圍的輸出信號(hào)。

該電路同時(shí)具有出色的失真和低靜態(tài)電流的特點(diǎn)。雙通道運(yùn)算放大器解決方案可降低系統(tǒng)成本，而差分放大器的使用則可提高性能。