簡(jiǎn)介

在許多應(yīng)用中，ADC需要在存在大共模信號(hào)的情況下處理一個(gè)很小的差分輸入信號(hào)。傳統(tǒng)的儀表放大器（In-Amp）只具有單端輸出和有限的共模范圍，因此在這些應(yīng)用中并不常用。為了充分利用這些器件的高性能和低成本，可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，將其單端輸出轉(zhuǎn)換為差分輸出，并且改善其輸入共模范圍，使之更適合這些應(yīng)用。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足所有的系統(tǒng)要求。使用儀表放大器的另一好處是，用戶無(wú)需構(gòu)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(gòu)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(xì)介紹了所提出的精密系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)允許用戶在存在高共模電壓的情況下測(cè)量差分信號(hào)。該電路包括一個(gè)輸入緩沖器、一個(gè)ADC驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。緩沖器驅(qū)動(dòng)儀表放大器的參考引腳，并將單端輸出轉(zhuǎn)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(dá)±270 V的共模電壓（采用±15 V電源供電）， 在正負(fù)方向幾乎達(dá)到電源電壓的20倍，這是電機(jī)控制應(yīng)用的關(guān)鍵。此外，還對(duì)輸入提供高達(dá)±500 V的共模或差模瞬變保護(hù)。

圖1. 單端輸入差分輸出放大器

此應(yīng)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：

VOUT_ diff = VOUT+ - VOUT - = 增益 × （VIN）

共模輸出由如下公式設(shè)置：

VOUT_ CM = （VOUT+ - VOUT -）/2= VREF

這個(gè)電路的好處是直流差分精度取決于AD629差動(dòng)放大器和AD8421儀表放大器，而不是運(yùn)算放大器或者外部10 k？電阻。此外，這個(gè)電路充分利用了儀表放大器對(duì)其基準(zhǔn)電壓相關(guān)的輸出電壓的精確控制。雖然運(yùn)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(hào)鏈路上的下一個(gè)器件抑制，因此它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)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(yùn)算放大器。此電路中選擇的運(yùn)算放大器是ADA4807。為了避免寄生電容使ADA4807不穩(wěn)定，電阻至反相輸入端之間的走線長(zhǎng)度應(yīng)盡可能短。如果必須使用較長(zhǎng)的走線，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(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓用作差分輸出的共模電壓，從而無(wú)需使用基準(zhǔn)電壓源。因此，其輸出與ADC成比例，這 意味著ADC的VREF任何變化都不會(huì)影響系統(tǒng)的性能。

此差動(dòng)放大器抑制共模電壓的能力取決于AD629差動(dòng)放大器內(nèi)部微調(diào)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(duì)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(diào)電阻，使系統(tǒng)的CMR可達(dá)到80dB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(nèi)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(shè)為中間電源，并升高ADC輸入端呈現(xiàn)的共模電壓。

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

圖2. 電路的性能：頂部：兩個(gè)互補(bǔ)輸出，中間：帶有大共模信號(hào)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：

增益 = 1 + （9.9 kΩ/RG）

此電路也可以用于功耗敏感型應(yīng)用。總靜態(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(qū)動(dòng)器（例如，AD8138和AD8131差分驅(qū)動(dòng)放大器）或分立式放大器的解決方案，功耗節(jié)省達(dá)50%。