技术讲解：低压放大器获得高压缓冲器的方法

geren2014

差分信号适合于需要大信噪比、高抗扰度和较低二次谐波失真的电路，例如高性能 ADC 驱动和高保真度音频信号处理等应用。《模拟对话》曾刊载过一篇相关文章——"多功能、低功耗、精密单端差分转换器"1，其中介绍了一种有很大改进的单端转差分电路，它具有很高输入阻抗，最大输入偏置电流为 2 nA，最大失调 (Rti) 为 60 μV，最大失调漂移为 0.7 μV/°C。性能改进是通过在反馈环路中将 OP1177 与差分增益为 1 的 AD8476 级联而实现的。


图 1. 改进的单端转差分电路

然而，许多应用需要更大的输出动态范围，例如温度和压力传感器输出的信号调理等。如果还能调节共模，那么该电路将能非常方便地与许多 ADC 接口，其基准电压决定满量程范围。


图 2. 具有改进动态范围的单端转差分电路

将环路内部差分放大器的增益配置为大于 1 的值，可提高电路的输出动态范围（图 2）。输出通过下式计算：



其中 RG 保持开路，电路的总增益为 2。A1 (OP1177) 的输出通过下式计算：



注意：VREF 始终增加到 OP1177 的输出上，从而会限制其输出裕量。多数应用中，VREF（输出共模）设置在电源的中点，以提供最大输出动态范围。环路内部增益大于 1 的差分放大器，例如 2 中的 ADA4940（增益为 2），可降低 A1 输出电压，降低倍数为 A2 的差分增益，这样便有助于避免图 A1 输出饱和。采用±5 V 电源时，OP1177 的典型输出摆幅为 4.1 V，因此，当 VREF 设置为 0 时，图 2 所示电路的差分输出电压摆幅约为±8 V。将 A2 增益配置为 3 可进一步改善输出动态范围，实现电路的最大输出摆幅。另一个可用增益为 1、2 和 3 的放大器 ADa4950，也适合用作 A2。

可调输出共模
可以修改电路，使输出共模可调且独立于输入信号的共模。对于输入以地为基准且需要转换为具有高共模的差分信号以与 ADC 接口的单电源应用，这样做可带来极大的灵活性和便利。

实现方法是在输入端增加两个电阻 R1 和 R2，R2 连接到 VOCM。若需要，可以使用输入放大器 A1 的双通道版本 OP2177，对于非常低的输入偏置电流，可将第二放大器用作输入缓冲器。


图 3(a) 改进的单端差分转换器，具有可调共模。



图 3(b) 输入和输出图，红线为 VOP，黄线为 VON，蓝线为输入。共模为 0V。



图 3(c) 输入和输出图，红线为 VOP，黄线为 VON，蓝线为输入。共模为 2.5 V。


在图 1 所示电路中，输入以 VREF 为基准。参见图 3 所示电路，输入以地为基准，直接获取后转换为差分输出。现在可以调节 VOCM 以使共模输出偏移，而输入仍然以地为基准。VOCM 可以设为基准电压源的一半或转换器的中间电平。VOCM 基本上像 VIN 一样，用作另一个输入。所选电阻值应满足下式：




通过叠加，当 VIN 为 0 时，输出值与 VOCM 相同。由于 VOCM 是设置输出共模的值，因此差分输出为 0。若 R1 = RG 且 R2 = RF，则输出电压由下式给出：




带宽和稳定性


两个放大器构成一个伺服环路配置的复合差分输出运算放大器。OP1177/OP2177 的开环增益和 ADA4940 的差分增益合并，得到电路的总开环增益，其定义电路的总带宽。其极点的合并则使环路的相移增加。A2 使用较高增益时，会降低其带宽，并可能影响电路整体的稳定性。电路设计人员须检查电路整体的频率响应，评估是否需要补偿。为了确保反馈系统的稳定性，经验法则是随频率而变化的合并开环增益必须以–20 dB/ 十倍频程的滚降速率跨过单位增益。这在最小增益（2 倍增益）的应用中更为重要，因为环路增益处于最大值，相位裕量最差。提高总增益，从而减小带宽并增加反馈环路的相位裕量，也能改善稳定性。因为环路增益减小，它会在较低的频率跨过单位增益。环路增益由下式计算：



反馈系数β中有一个 1/2 ，这 是因为输出为差分，而反馈仅从差分输出之一中获得。ADA4940 在 2 倍增益时的带宽为 50 MHz，而 OP1177 的单位增益带宽约为 4 MHz。受限于 OP1177 和闭环增益，图 3 所示电路在带宽约为 1 MHz 时可稳定工作。如之前文章中所指出的，当使用差分放大器无法满足稳定性条件时，可以使用一个限带电容，如图 3(a)所示。该电容与反馈环路内部的 RF 形成一个积分器，将电路整体的带宽限制为：



可以适当选择电容和反馈电阻，使总带宽受上式限制。