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由 cathy 提交于

<strong><font color="#FF0000">作者：tschmitt，ADI应用工程师</font> </strong>

该篇我们将讨论差动放大器配置，这是另一种将ADAQ798x与双极性输入信号接口的手段。此配置可用于具有宽输入电压范围和带宽的双极性信号。我们将了解如何针对给定输入范围选择所需的外部元件，以及它们如何影响输入阻抗、噪声和直流误差等其他特性。

<strong>差动放大器</strong>

利用四个外部电阻可将ADC驱动器配置为差动放大器，如下所示：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-10/博客/100008331-27827-a1.png&quot; alt=“” width="600"></center>

这种配置可以看作是同相和反相配置的叠加；双极性输入信号乘以放大器反相增益，而直流偏置电压（使用V<sub>REF</sub>，原因已在该系列博客<a data-containerid="2003" data-containertype="14" data-objectid="16955" data-objecttype="1" href="https://ezchina.analog.com/thread/16955"&gt;《衰减双极性输入》</a>中讨论）乘以同相增益。参考电路<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">《库隔离、2通道、16位、500 kSPS同步采样 信号链，集成数据采集系统》</a>利用此配置调理来自PGIA (AD8251)的±10 V输出摆幅。此配置的传递函数如下：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-10/博客/100008331-27828-a2.png&quot; alt=“” width="600"></center>

第一步是找到R<sub>f</sub>和R<sub>g</sub>的合适比值，它由输入幅度(Δv<sub>IN</sub>)和ADC满量程范围（0 V至V<sub>REF</sub>）之比确定：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-10/博客/100008331-27829-a3.png&quot; alt=“”></center>

与我们讨论过的同相配置不同，信号增益可以小于1，所以对于幅度大于V<sub>REF</sub>的输入信号，我们不需要进行任何修改以衰减信号。值得注意的是，信号从输入端到输出端确实发生反相。

R<sub>1</sub>和R<sub>2</sub>用于衰减V<sub>REF</sub>，使得ADC驱动器的输出偏置到ADC中间电平(V<sub>REF</sub>/2)。R<sub>1</sub>和R<sub>2</sub>之比由R<sub>f</sub>和R<sub>g</sub>之比确定：

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-10/博客/100008331-27830-a4.png&quot; alt=“”></center>

上式还假设该设计将V<sub>REF</sub>用作连接到R<sub>1</sub>的直流输入电压。

确定这些比值之后，我们需要选择各电阻的具体值。为避免盲目选择，有几点需要考虑：

首先，R<sub>f</sub>的值可能影响ADC驱动器的稳定性。如果R<sub>f</sub>过大，噪声增益频率响应将会开始峰化，可能变得不稳定（如技术指南《二阶系统的运算放大器总输出噪声计算》所述）。该系列博客《增加单极性输入的增益》中说过，应限制R<sub>f</sub>以防发生这种情况。

另外，正如我们在该系列博客《衰减双极性输入》中看到的，较大电阻会产生较多系统噪声。这种配置比我们上周讨论的配置更容易发生噪声问题，因为ADC驱动器的噪声增益总是大于1。ADAQ7980/ADAQ7988数据手册（<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">http://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precisio…; ；<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">http://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precisio…; ）中的噪声考虑和信号建立部分及参考电路<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">《库隔离、2通道、16位、500 kSPS同步采样 信号链，集成数据采集系统》 </a>中的系统噪声分析部分说明了如何量化这种配置的系统噪声。

还有一点需要考虑的是电阻对系统失调误差的影响。电阻会与ADC驱动器的输入偏置电流相互作用，在其输出端产生失调误差。随着阻值提高，此效应会愈加突出。根据技术文章<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">《运算放大器输入偏置电流》</a>，为减轻这种效应，R<sub>1</sub>和R<sub>2</sub>的并联组合必须等于R<sub>f</sub>和R<sub>g</sub>的并联组合。

考虑一个例子：v<sub>IN</sub>为±1.25 V，V<sub>REF</sub> = 5 V。利用上述公式，我们发现R<sub>f</sub>须为2×Rg，R<sub>1</sub>须为5×R<sub>2</sub>。如果我们要确保输入偏置电流不引起系统失调误差，则R<sub>1</sub>||R<sub>2</sub>和Rf||Rg的并联组合也必须相等，R<sub>1</sub> = 0.8×Rf。例如，若选择R<sub>f </sub>= 2 kΩ，则要求R<sub>g </sub>= 1 kΩ，R<sub>1</sub> = 1.6 kΩ，R<sub>2</sub> = 320 Ω。

<strong>结语</strong>

差动放大器配置能将ADAQ798x与许多不同幅度和频率范围的双极性信号接口，而且设计异常简单。然而，还有几点需要注意。

首先，应注意有些应用要求实现高输入阻抗。采用我们已讨论的其他配置，通过提高电阻值（并降低输入带宽以处理额外噪声），可以满足上述要求。但差动放大器配置则很吃力，因为R<sub>f</sub>和R<sub>g</sub>不能太大，否则会影响ADC驱动器稳定性。该电路的输入阻抗等于反相放大器的输入阻抗：

<img src="http://mouser.eetrend.com/files/2017-10/博客/100008331-27831-a5.png&quot; alt=“” >

例如，为实现1 MΩ的输入阻抗，R<sub>g</sub>须为1 MΩ，R<sub>f</sub>很可能会非常大，以至于ADC驱动器不能正常工作（至少使用常见增益时）。提高系统输入阻抗的唯一实用方法将是在ADC驱动器前方再使用一个信号调理级。

好的一面是，由于这种配置使用较小的电阻，因此不大可能需要额外的滤波来补偿电阻噪声。另外，这让平衡输入偏置电流引起的失调更为可行，因为可以轻松选择R<sub>1</sub>和R<sub>2</sub>来平衡R<sub>f</sub>和R<sub>g</sub>产生的失调。这两个特性使得这种配置与可以实现更高输入阻抗的同相配置相比，可以实现更高的精度和信号带宽。

还有一点值得一提，那就是这种配置可以更轻松地用在ADAQ798x负电源接地的单电源应用中。这是因为放大器输入保持在一个恒定直流电压，不用太担心会违反输入共模电压规格（如ADAQ7980/ADAQ7988数据手册（<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">http://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precisio…; ；<a href="https://ezchina.analog.com/external-link.jspa?url=http%3A%2F%2Fwww.anal…; rel="nofollow" target="_blank">http://www.analog.com/cn/products/analog-to-digital-converters/precisio…; ）所示）。

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全能DAQ ADAQ798x，双极性输入的另一种配置