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纯净的硅(初级)

简单分立式单端转差分精密仪表放大器电路:具有高共模输入范围,节省50%功耗 [复制链接]

     在许多应用中,ADC需要在存在大共模信号的情况下处理一个 很小的差分输入信号。传统的仪表放大器(In-Amp)只具有单 端输出和有限的共模范围,因此在这些应用中并不常用。为 了充分利用这些器件的高性能和低成本,可以设计一个简单的 电路,将其单端输出转换为差分输出,并且改善其输入共模范 围,使之更适合这些应用。许多低成本仪表放大器所具备的带 宽、直流精度和低功耗可以满足所有的系统要求。使用仪表放 大器的另一好处是,用户无需构建自己的差分放大器,因此省 去了很多高成本的分立器件。本文将提出一种简单的方法来构 建一个低成本仪表放大器并优化其性能。此外,该解决方案的 成本和性能与单芯片仪表放大器不相上下。

      图1详细介绍了所提出的精密系统设计,该设计允许用户在存 在高共模电压的情况下测量差分信号。该电路包括一个输入缓 冲器、一个ADC驱动器和一个基准电压源。缓冲器驱动仪表放 大器的参考引脚,并将单端输出转换为差分输出。该电路具 有非常高的输入共模电压范围。它可以处理 高达±270 V的共模 电压(采用±15 V电源供电), 在正负方向几乎达到电源电压 的20倍,这是电机控制应用的关键。此外,还对输入提供高达 ±500 V的共模或差模瞬变保护。

 

 

Figure 1

图1. 单端输入差分输出放大器

此应用使用±5 V电源,这样输入电压才能具有±80 V共模范围。

差分输出由如下公式确定:

Equation 1

共模输出由如下公式设置:

Equation 2

这个电路的好处是直流差分精度取决于AD629差动放大器和 AD8421仪表放大器,而不是运算放大器或者外部10 kΩ电阻。此 外,这个电路充分利用了仪表放大器对其基准电压相关的输出 电压的精确控制。虽然运算放大器的直流性能和电阻匹配会影 响直流共模输出精度,但是这些误差很可能会被信号链路上的 下一个器件抑制,因此它对整个系统精度的影响将会很小。

为获得最佳交流性能,推荐使用具有高带宽和高压摆率的运算 放大器。此电路中选择的运算放大器是ADA4807。

为了避免寄生电容使ADA4807不稳定,电阻至反相输入端之间的 走线长度应尽可能短。如果必须使用较长的走线,需使用阻值 较低的电阻。

高性能ADC通常采用5 V单电源,并具有自身的基准电压。该基 准电压用作差分输出的共模电压,从而无需使用基准电压源。 因此,其输出与ADC成比例,这 意味着ADC的VREF任何变化都不 会影响系统的性能。

此差动放大器抑制共模电压的能力取决于AD629差动放大器内 部微调电阻的比例匹配。因此,它比采用分立式放大器的仪表 放大器更好。

对于采用0.1%外部电阻的分立式放大器,CMR限制为54 dB。仪 表放大器集成了精密的激光微调电阻,使系统的CMR可达到80 dB或更高。这些电阻均采用相同的低漂移薄膜材料制成,因此 在一定温度范围内可提供出色的比例匹配。

ADC可采用5V单电源供电,参考引脚上有2.5V低阻抗电压源。 这样可将输出设为中间电源,并升高ADC输入端呈现的共模 电压。

     示波器输出波形曲线如图2所示。两个仪表放大器的增益均为 1。VIN是一个大共模电压上的1 V pp 10 kHz正弦波。VOUT+和VOUT–分 别是±0.5 V pp正弦波和余弦波。VOUT_diff是1 V pp差分输出电压, 也就是消除共模信号后 的VIN

 

Figure 2

图2. 电路的性能:顶部:两个互补输出,
中间:带有大共模信号的输 入电压,底部:差分输出。

通过增加一个电阻RG可以提高仪表放大器的增益:

Equation 3

此电路也可以用于功耗敏感型应用。总静态电流为5 mA,采用 5V双电源,其功耗仅约50 mW,相较于其他采用基本ADC驱动器 (例如,AD8138和AD8131差分驱动放大器)或分立式放大器的 解决方案,功耗节省达50%。


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