Matthew “Rusty” Juszkiewicz

隨著精度的不斷提升，全差分信號鏈組件的性能越來越受歡迎，其中一個主要優勢是噪聲抑制，可以通過信號路由拾取。由于輸出會拾取這種噪聲，因此誤差會很常見，因此在信號鏈中會進一步衰減。此外，在同一電源上，差分信號可以實現兩倍于單端信號的信號范圍。因此，對于全差分信號，信噪比（SNR）更高。經典的三運放儀表放大器（儀表放大器）具有許多優點，包括共模信號抑制、高輸入阻抗和精確（可調）增益;但是，當需要全差分輸出信號時，它就不足了。已經使用了幾種方法來實現使用標準元件的全差分儀表放大器。但是，它們也有其自身的缺點。

圖1.經典儀表放大器。

一種技術是使用運算放大器驅動基準引腳，正輸入為共模，負輸入位于兩個將輸出連接在一起的匹配電阻的中心。此配置使用儀表放大器輸出作為正輸出，將運算放大器輸出用作負輸出。由于兩個輸出是不同的放大器，這些放大器之間的動態性能不匹配會極大地影響整體電路性能。此外，兩個電阻的匹配會導致輸出共模隨輸出信號移動，從而導致失真。設計該電路時，在選擇放大器時必須考慮穩定性，并且可能需要在運算放大器上安裝反饋電容，這限制了電路的總帶寬。最后，該電路的增益范圍基于儀表放大器。因此，小于 1 的增益是無法實現的。

圖2.使用外部運算放大器產生反相輸出。

另一種技術是將兩個儀表放大器并聯，并聯開關輸入。與以前的電路相比，這種配置具有更好的匹配驅動電路和頻率響應。但是，它不能獲得少于兩個的收益。該電路還需要精密匹配增益電阻來實現純差分信號。這些電阻的失配會導致輸出共模電平發生偏移，其影響與以前的架構相同。

圖3.使用第二個儀表放大器產生反相輸出。

這兩種方法對可實現的增益以及對匹配元件的要求都有限制。

新的交叉連接技術

如圖4所示，通過交叉連接兩個儀表放大器，該新電路使用單個增益電阻提供具有精確增益或衰減的全差分輸出。通過將兩個基準引腳連接在一起，用戶可以根據需要調整輸出共模。

圖4.交叉連接技術—產生差分儀表放大器輸出的解決方案。

In_A的增益由以下公式得出。由于輸入電壓出現在儀表放大器2輸入緩沖器的正端，而電阻R2和R3的另一端為0 V，因此這些緩沖器的增益遵循同相運算放大器配置的公式。類似地，對于儀表放大器1的輸入緩沖器，增益遵循反相運算放大器配置。由于差動放大器中的所有電阻都匹配，因此緩沖器輸出的增益是一致的。

圖5.儀表放大器內部的匹配電阻是交叉連接技術的關鍵。

通過對稱性，如果在In_B施加電壓V2，在地施加In_A，則結果如下：

將兩個結果結合起來，得到電路的增益。

增益電阻R3和R2設置電路的增益，只需一個即可實現全差分信號。正/負輸出取決于安裝的電阻器。不安裝R3將導致增益方程中的第二項變為零。因此，所得增益為R2/R1×2。不安裝R2將導致增益方程中的第一個項變為零。因此，所得增益為R2/R1×3。需要注意的另一件事是，增益純粹是一個比率，因此可以實現小于 2 的增益。請記住，由于R3和R<>對增益的影響相反，包括兩個增益電阻會使第一級的增益高于輸出。如果在選擇電阻值時不小心，這可能會加劇第一級運算放大器引起的輸出失調。

為了演示該電路的使用，將兩個儀表放大器AD8221連接在一起。數據手冊列出的R1為24.7 kΩ，因此當R2為49.4 kΩ時，可以實現<>的增益。

CH1 是 In_A 處的輸入信號，CH2 是 V外_A，CH3 為 V外紅細胞輸出A和B匹配且異相，并且與輸入信號的幅度差相等。

圖6.增益 = 1 的測量結果使用交叉連接技術生成差分儀表放大器輸出信號。

接下來，通過將49.4 kΩ增益電阻從R2移至R3，電路的新增益為–1。現在Out_A與輸入異相，輸出之間的差等于輸入信號的幅度。

圖 7.增益 = –1 的測量結果，使用交叉連接技術生成差分放大器內輸出信號。

如前所述，其他技術的一個限制是無法實現衰減。按照增益公式，使用R2 = 98.8 kΩ，電路將輸入信號衰減兩倍。

圖 8.增益 = 1/2 的測量結果，使用交叉連接技術生成差分儀表放大器輸出信號。

最后，為了證明高增益，選擇R2 = 494 Ω來實現G = 100。

圖9.增益 = 100 的測量結果采用交叉連接技術生成差分儀表放大器輸出信號。

電路執行如增益方程所述。為了獲得最佳性能，使用此電路時應采取一些預防措施。增益電阻的精度和漂移會增加儀表放大器的增益誤差，因此根據誤差要求選擇合適的容差。由于儀表放大器Rg引腳上的電容會導致頻率性能不佳，因此如果需要高頻性能，則應小心這些節點。此外，兩個儀表放大器之間的溫度不匹配會因失調漂移而導致系統失調，因此此處應注意布局和負載。使用像AD8222這樣的雙通道儀表放大器有助于克服這些潛在問題。

結論

交叉連接技術在保持儀表放大器所需特性的同時提供附加功能。盡管討論的所有示例都實現了差分輸出，但在交叉連接電路中，輸出的共模不像其他架構那樣受到電阻對失配的影響。因此，始終可以實現真正的差分輸出。此外，如增益公式所示，差分信號衰減是可能的，這消除了以前需要漏斗放大器的需要。最后，輸出的極性由增益電阻的位置（使用R2或R3）決定，這為用戶提供了更大的靈活性。

審核編輯：郭婷