目前很多應(yīng)用都需要用到差分信號,包括驅(qū)動高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、通過雙絞線電纜傳輸信號、調(diào)理高保真音頻信號等。由于差分信號在特定電源電壓下可以提供較大信號幅度,提高了對共模噪聲的抑制能力,降低了二次諧波失真,因而實現(xiàn)了更高的信噪比。由于這一需求,我們需要將大多數(shù)信號鏈中的單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號。
目前的單端轉(zhuǎn)差分電路一般分為3種:
第1種是非平衡變壓器電路,主要器件為一個變壓器,如圖1所示。
圖1:非平衡變壓器耦合
第2種是差分放大器電路,主要器件為一個差分放大器芯片,如圖2所示。
圖2:差分放大器耦合
第3種是平衡變壓器耦合,主要器件為一個差分放大器芯片和一個變壓器,如圖3所示。
圖3:平衡變壓器耦合
這3種單端轉(zhuǎn)差分電路的優(yōu)缺點暫且不提,有興趣的朋友可自行去查資料。就小青菜哥哥所從事的脈沖信號采集工作而言,差分放大器電路是使用最適合、最廣泛的方案。接下來小青菜哥哥就以ADI公司的單端轉(zhuǎn)差分芯片ADA4927介紹一下差分放大器的設(shè)計步驟,這些設(shè)計步驟同樣適用于其它類型差分芯片。
術(shù)語定義,如圖4所示:
圖4:電路術(shù)語定義
差分電壓
輸出差分電壓定義為:
輸入差分電壓定義為:
共模電壓
該電壓一般由ADC提供即可,其大小可表示為:
差分增益
如果同相、反相端的輸入電阻RG和反饋電阻RF相等,則有上述電路的差分增益為:
輸入阻抗
輸入阻抗取決于差分放大器是由單端信號源驅(qū)動,還是由差分信號源驅(qū)動,對于差分輸入信號(圖5),兩個輸入端(+DIN和-DIN)之間的輸入阻抗(RIN,dm)為:
圖5:差分輸入阻抗
對于本篇的主題,即單端輸入信號(圖6),輸入阻抗(RIN,SE)為:
圖6:單端輸入阻抗
接下來我們看看如何將單端輸入信號適當(dāng)?shù)亩私拥讲罘址糯笮酒珹DA4927,設(shè)置的增益為1,RF=348Ω,RG=348Ω。通過端接輸入電壓為1VPP、源電阻為50Ω的輸入源為例來說明操作步驟:
1,輸入阻抗根據(jù)以下公式計算(圖7):
圖7:計算單端輸入阻抗RIN
2,為了與50Ω源阻抗匹配(圖8),計算端接電阻RT時使用RT||464Ω=50Ω。最接近的RT標(biāo)準(zhǔn)阻值為56.2Ω。
圖8:添加端接電阻RT
3,圖8表明,由于添加了端接電阻RT,現(xiàn)在上反饋環(huán)路中的有效RG大于下環(huán)路中的RG。為了補償增益電阻的不平衡性,需要在下環(huán)路添加一個校正電阻RTS,并使其與下環(huán)路的RG串聯(lián)。RTS是源電阻RS和端接電阻RT的戴維南等效電路(圖9),等于RS||RT。
圖9:戴維南等效電路
RTS=RTH=RS||RT=26.5Ω(取標(biāo)準(zhǔn)電阻26.7Ω)。這里我們需要注意,從戴維南等效電路可以看出,等效輸入電壓VTH大于1VPP。經(jīng)過調(diào)整后的電路如下圖10所示:
圖10:戴維南等效值和匹配增益電阻
到現(xiàn)在為止,電路基本設(shè)計完成了。通過上述幾個步驟,我們確定了信號等效輸入阻抗為50Ω,上下反饋環(huán)路也保持平衡。但是還有兩個個問題:
1) 兩個環(huán)路中的等效RG值均變大了(加入了RTS),這導(dǎo)致我們需要的增益略小于1。
2) 由于RT=56.2Ω,而不是50Ω,所以等效輸入電壓VTH的值要略大約1VPP,而我們設(shè)計的輸入范圍是1VPP。
這兩點對輸入電壓幅度的影響剛好相反,對于反饋環(huán)路中的大電阻值(~1kΩ),影響相互抵消。也就是說通過這樣的設(shè)計后,輸入信號幅度變大了,但是增益變小了,所以對輸出信號幅度無影響。但是對于小阻值的RF或RG或高增益來說,減小的閉環(huán)增益不能通過增加的VTH完全消除,必須通過接下來的第4步來解決:
4,在本例中,期望的差分輸出是1VPP,因為端接的輸入信號是1VPP,閉環(huán)增益是1。然而實際的差分輸出電壓等于1.06VPP*348/(348+26.7)=0.984VPP。為了獲得期望的1VPP輸出電壓,可以通過增加RF來實現(xiàn)最終的增益調(diào)整,而不需要更改任何輸入電路。RF計算公式如下:
選擇RF為標(biāo)準(zhǔn)電阻357Ω可提供1.01VPP的差分輸出電壓。最終電路如下圖11所示:
圖11:端接的單端轉(zhuǎn)差分電路,G=1
原文標(biāo)題:ADC單端轉(zhuǎn)差分電路分析
文章出處:【微信公眾號:FPGA之家】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
責(zé)任編輯:haq
-
電路
+關(guān)注
關(guān)注
172文章
5905瀏覽量
172152 -
adc
+關(guān)注
關(guān)注
98文章
6496瀏覽量
544477
原文標(biāo)題:ADC單端轉(zhuǎn)差分電路分析
文章出處:【微信號:zhuyandz,微信公眾號:FPGA之家】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論