如何實現(xiàn)差分輸入轉(zhuǎn)單端輸出放大器電路

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

答：許多應用都需要使用低功耗、高性能的差分放大器，將小差分信號轉(zhuǎn)換成可讀的接地參考輸出信號。兩個輸入端通常共用一個大共模電壓。差分放大器會抑制共模電壓，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)。一個簡單的解決方案就是使用阻性增益網(wǎng)絡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單方式。系統(tǒng)增益可通過公式1確定：

VOUT = –增益 × (VIN1 – VIN2) (1)

其中，增益= RF/1 kΩ，且 (VIN1 – VIN2) 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時提供更加穩(wěn)定的讀取功能，因此，建議在存在噪聲問題的情況下使用。在測量熱電偶、應變片和電橋式壓力傳感器輸入時尤其如此，因為它們可以在嘈雜的環(huán)境中提供極小的信號。

此電路不僅能測量傳感器正負端的電壓差，還能提供帶部分系統(tǒng)增益的共模抑制功能，實現(xiàn)比單端輸入更優(yōu)越的性能改進。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用中都非常重要。系統(tǒng)精度取決于網(wǎng)絡電阻的容差。

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RF和RG1的比值來設定，假設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)建為一個針對此應用的反相放大器，并且此電路的噪聲較低。此電路擁有較低的靜態(tài)電流（1000 μA/放大器），適合低功耗、高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。輸入共模電壓將會高于電源電壓。采用軌到軌輸出，這在大共模信號或大輸出電壓應用中非常有用。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，信號源恰巧是傳感器電橋產(chǎn)生的差分電壓，電橋一個端子為正，而另一個端子為負，以響應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的情況。RF值可設置系統(tǒng)增益?？梢钥吹剑@張圖顯示的是系統(tǒng)增益1、2和4，且1 kHz時的差分輸入電壓為1 V p-p。

此電路對于測量兩個大電壓之間的小差異非常有用。例如，可以考慮一個解決方案，利用1%的簡單精度來監(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)電阻可實現(xiàn)所需的精度水平，并且此電路將會抑制任何共模并按照設置的電路增益放大衰減電橋信號。如果驅(qū)動ADC，則需要應用一些電平轉(zhuǎn)換功能，獲得0 V至5 V范圍的輸出信號。

該電路同時具有出色的失真和低靜態(tài)電流的特點。雙通道運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。