精密差分輸出儀表放大器應用電路的設計

采用先進技術的模數轉換器(ADC)能夠接收差分輸入信號，能夠將來自傳感器的整個信號路徑以差分信號的形式傳送給ADC。這種方法提供了顯著的性能優勢，因為差分信號增加了動態范圍，減小了交流聲，并且消除了對地噪聲。

圖1(a)和1(b)所示的是兩種常見的差分輸出儀表放大器電路。前者提供單位增益，后者提供了2倍增益。但是，與單端輸出的儀表放大器相比，這兩種電路都會受到增加噪聲、失調誤差、失調漂移、增益誤差和增益漂移的影響。


圖1設計差分輸出儀表放大器的通用方法

圖2所示是一個沒有上述缺陷的差分輸出儀表放大器原理圖。這種設計充分利用了這樣的特性，儀表放大器的輸出實際上是其輸出引腳(Vo)與參考引腳(Vref)之間的差，保持了增益，且不會在輸出信號中增加失調、漂移或噪聲。這里的應用技巧是在兩個引腳之間加入了一個增益為-1的反相器。


圖2設計差分輸出儀表放大器的改進方法

輸入電壓是V時，輸出電壓(Vo-Vref)也應該等于V。參考引腳的電壓與輸出引腳的電壓極性相反。為了滿足(Vo-Vref)=V，輸出必須為Vo=Vin/2，Vref=-Vin/2。通過向運算放大器的同相端輸入端施加+2.5V信號來設置其共模輸出電平。運放在節點B產生+2.5V電壓。從而，如果對輸入端施加+1V電壓，那么節點A產生+3V電壓，并且節點C則為+2V，因此，輸出為+0.5V以上和+2.5V以下。(Vo-Vref)的誤差僅是由儀表放大器引起的。由反相放大器和電阻器引起的誤差諸如失調電壓、噪聲和增益誤差對兩個輸出端的影響同相，因此它們僅對共模輸出有貢獻，會被ADC抑制掉。


圖3性能波形圖


圖4差分輸出信號說分析

圖3是一張性能波形圖，上面的波形是一個2Vp-p、1kHz輸入，下面是兩個1Vp-p、1kHz差分輸出信號的波形，輸出共模電壓為+2.5V。圖4示出的是差分輸出信號的譜密度性能圖，儀表放大器的輸入信號為2Vp-p，1kHz。

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