小信號放大新思路，低成本儀表放大器的差分輸出設計

傳統儀表放大器（In-Amp）因單端輸出和窄輸入共模范圍，難以直接適配需處理小差分信號與大共模場(chǎng)景的ADC應用。針對此問(wèn)題，可通過(guò)低成本電路改造，將單端輸出轉換為差分信號，同時(shí)擴展輸入共模范圍。具體方案：在In-Amp后端疊加差分驅動(dòng)電路，利用反相與同相路徑生成互補信號，并通過(guò)共模反饋調節輸入級偏置電壓，使有效共模范圍提升，顯著(zhù)降低ADC前端接口成本。

許多低成本儀表放大器所具備的帶寬、直流精度和低功耗可以滿(mǎn)足所有的系統要求。使用儀表放大器的另一好處是，用戶(hù)無(wú)需構建自己的差分放大器，因此省去了很多高成本的分立器件。本文將提出一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)構建一個(gè)低成本儀表放大器并優(yōu)化其性能。此外，該解決方案的 成本和性能與單芯片儀表放大器不相上下。

圖1詳細介紹了所提出的精密系統設計，該設計允許用戶(hù)在存在高共模電壓的情況下測量差分信號。該電路包括一個(gè)輸入緩沖器、一個(gè)ADC驅動(dòng)器和一個(gè)基準電壓源。緩沖器驅動(dòng)儀表放 大器的參考引腳，并將單端輸出轉換為差分輸出。該電路具有非常高的輸入共模電壓范圍。它可以處理高達±270 V的共模電壓（采用±15 V電源供電），在正負方向幾乎達到電源電壓的20倍，這是電機控制應用的關(guān)鍵。此外，還對輸入提供高達 ±500 V的共?；虿钅Ｋ沧儽Ｗo。

圖1. 單端輸入差分輸出放大器

此應用使用±5 V電源，這樣輸入電壓才能具有±80 V共模范圍。差分輸出由如下公式確定：

共模輸出由如下公式設置：

這個(gè)電路的好處是直流差分精度取決于A(yíng)D629差動(dòng)放大器和 AD8421儀表放大器，而不是運算放大器或者外部10 kΩ電阻。此外，這個(gè)電路充分利用了儀表放大器對其基準電壓相關(guān)的輸出電壓的精確控制。雖然運算放大器的直流性能和電阻匹配會(huì )影響直流共模輸出精度，但是這些誤差很可能會(huì )被信號鏈路上的下一個(gè)器件抑制，因此它對整個(gè)系統精度的影響將會(huì )很小。

為獲得最佳交流性能，推薦使用具有高帶寬和高壓擺率的運算放大器。此電路中選擇的運算放大器是ADA4807。

為了避免寄生電容使ADA4807不穩定，電阻至反相輸入端之間的走線(xiàn)長(cháng)度應盡可能短。如果必須使用較長(cháng)的走線(xiàn)，需使用阻值較低的電阻。高性能ADC通常采用5 V單電源，并具有自身的基準電壓。該基準電壓用作差分輸出的共模電壓，從而無(wú)需使用基準電壓源。因此，其輸出與ADC成比例，這意味著(zhù)ADC的VREF任何變化都不會(huì )影響系統的性能。

此差動(dòng)放大器抑制共模電壓的能力取決于A(yíng)D629差動(dòng)放大器內部微調電阻的比例匹配。因此，它比采用分立式放大器的儀表放大器更好。

對于采用0.1%外部電阻的分立式放大器，CMR限制為54 dB。儀表放大器集成了精密的激光微調電阻，使系統的CMR可達到80 dB或更高。這些電阻均采用相同的低漂移薄膜材料制成，因此在一定溫度范圍內可提供出色的比例匹配。

ADC可采用5V單電源供電，參考引腳上有2.5V低阻抗電壓源。這樣可將輸出設為中間電源，并升高ADC輸入端呈現的共模電壓。

示波器輸出波形曲線(xiàn)如圖2所示。兩個(gè)儀表放大器的增益均為 1。V_IN是一個(gè)大共模電壓上的1 V pp 10 kHz正弦波。V_OUT+和V_OUT–分別是±0.5 V pp正弦波和余弦波。V_OUT_diff是1 V pp差分輸出電壓，也就是消除共模信號后的V_IN。

圖2. 電路的性能：

頂部：兩個(gè)互補輸出

中間：帶有大共模信號的輸入電壓

底部：差分輸出

通過(guò)增加一個(gè)電阻RG可以提高儀表放大器的增益：

此電路也可以用于功耗敏感型應用?？傡o態(tài)電流為5 mA，采用 5V雙電源，其功耗僅約50 mW，相較于其他采用基本ADC驅動(dòng)器（例如，AD8138和AD8131差分驅動(dòng)放大器）或分立式放大器的解決方案，功耗節省達50%。