详解转差分电路提升系统动态范围
差分信号适合于需要大信噪比、高抗扰度和较低二次谐波失真的电路，例如高性能adc驱动和高保真度音频信号处理等应用。《模拟对话》曾刊载过一篇相关文章——“多功能、低功耗、精密单端差分转换器”1，其中介绍了一种有很大改进的单端转差分电路，它具有很高输入阻抗，最大输入偏置电流为2 na，最大失调 （rti） 为60 μv，最大失调漂移为0.7 μv/°c。性能改进是通过在反馈环路中将op1177与差分增益为1的ad8476级联而实现的
图1. 改进的单端转差分电路
然而，许多应用需要更大的输出动态范围，例如温度和压力传感器输出的信号调理等。如果还能调节共模，那么该电路将能非常方便地与许多adc接口，其基准电压决定满量程范围。
图2. 具有改进动态范围的单端转差分电路
将环路内部差分放大器的增益配置为大于1的值，可提高电路的输出动态范围（图2）。输出通过下式计算：
其中rg保持开路，电路的总增益为2。a1 （op1177） 的输出通过下式计算：
注意：vref始终增加到op1177的输出上，从而会限制其输出裕量。多数应用中，vref（输出共模）设置在电源的中点，以提供最大输出动态范围。环路内部增益大于1的差分放大器，例如2中的ada4940（增益为2），可降低a1输出电压，降低倍数为a2的差分增益，这样便有助于避免图a1输出饱和。采用±5 v电源时，op1177的典型输出摆幅为4.1 v，因此，当vref设置为0时，图2所示电路的差分输出电压摆幅约为±8 v。将a2增益配置为3可进一步改善输出动态范围，实现电路的最大输出摆幅。另一个可用增益为1、2和3的放大器ada4950，也适合用作a2。
可调输出共模 可以修改电路，使输出共模可调且独立于输入信号的共模。对于输入以地为基准且需要转换为具有高共模的差分信号以与adc接口的单电源应用，这样做可带来极大的灵活性和便利。
实现方法是在输入端增加两个电阻r1和r2，r2连接到vocm。若需要，可以使用输入放大器a1的双通道版本op2177，对于非常低的输入偏置电流，可将第二放大器用作输入缓冲器。
图3（a） 改进的单端差分转换器，具有可调共模。
图3（b） 输入和输出图，红线为vop，黄线为von，蓝线为输入。共模为0v。
图3（c） 输入和输出图，红线为vop，黄线为von，蓝线为输入。共模为2.5 v。
在图1所示电路中，输入以vref为基准。参见图3所示电路，输入以地为基准，直接获取后转换为差分输出。现在可以调节vocm以使共模输出偏移，而输入仍然以地为基准。vocm可以设为基准电压源的一半或转换器的中间电平。vocm基本上像vin一样，用作另一个输入。所选电阻值应满足下式：
通过叠加，当vin为0时，输出值与vocm相同。由于vocm是设置输出共模的值，因此差分输出为0。若r1 = rg且r2 = rf，则输出电压由下式给出：
带宽和稳定性 两个放大器构成一个伺服环路配置的复合差分输出运算放大器。op1177/op2177的开环增益和ada4940的差分增益合并，得到电路的总开环增益，其定义电路的总带宽。其极点的合并则使环路的相移增加。a2使用较高增益时，会降低其带宽，并可能影响电路整体的稳定性。电路设计人员须检查电路整体的频率响应，评估是否需要补偿。为了确保反馈系统的稳定性，经验法则是随频率而变化的合并开环增益必须以–20 db/十倍频程的滚降速率跨过单位增益。这在最小增益（2倍增益）的应用中更为重要，因为环路增益处于最大值，相位裕量最差。提高总增益，从而减小带宽并增加反馈环路的相位裕量，也能改善稳定性。因为环路增益减小，它会在较低的频率跨过单位增益。环路增益由下式计算：
反馈系数β中有一个1/2 ，这 是因为输出为差分，而反馈仅从差分输出之一中获得。ada4940在2倍增益时的带宽为50 mhz，而op1177的单位增益带宽约为4 mhz。受限于op1177和闭环增益，图3所示电路在带宽约为1 mhz时可稳定工作。如之前文章中所指出的，当使用差分放大器无法满足稳定性条件时，可以使用一个限带电容，如图3（a）所示。该电容与反馈环路内部的 rf形成一个积分器，将电路整体的带宽限制为：
可以适当选择电容和反馈电阻，使总带宽受上式限制。
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然而，许多应用需要更大的输出动态范围，例如温度和压力传感器输出的信号调理等。如果还能调节共模，那么该电路将能非常方便地与许多adc接口，其基准电压决定满量程范围。
图2. 具有改进动态范围的单端转差分电路
将环路内部差分放大器的增益配置为大于1的值，可提高电路的输出动态范围（图2）。输出通过下式计算：
其中rg保持开路，电路的总增益为2。a1 （op1177） 的输出通过下式计算：
注意：vref始终增加到op1177的输出上，从而会限制其输出裕量。多数应用中，vref（输出共模）设置在电源的中点，以提供最大输出动态范围。环路内部增益大于1的差分放大器，例如2中的ada4940（增益为2），可降低a1输出电压，降低倍数为a2的差分增益，这样便有助于避免图a1输出饱和。采用±5 v电源时，op1177的典型输出摆幅为4.1 v，因此，当vref设置为0时，图2所示电路的差分输出电压摆幅约为±8 v。将a2增益配置为3可进一步改善输出动态范围，实现电路的最大输出摆幅。另一个可用增益为1、2和3的放大器ada4950，也适合用作a2。
可调输出共模 可以修改电路，使输出共模可调且独立于输入信号的共模。对于输入以地为基准且需要转换为具有高共模的差分信号以与adc接口的单电源应用，这样做可带来极大的灵活性和便利。
实现方法是在输入端增加两个电阻r1和r2，r2连接到vocm。若需要，可以使用输入放大器a1的双通道版本op2177，对于非常低的输入偏置电流，可将第二放大器用作输入缓冲器。
图3（a） 改进的单端差分转换器，具有可调共模。
图3（b） 输入和输出图，红线为vop，黄线为von，蓝线为输入。共模为0v。
图3（c） 输入和输出图，红线为vop，黄线为von，蓝线为输入。共模为2.5 v。
在图1所示电路中，输入以vref为基准。参见图3所示电路，输入以地为基准，直接获取后转换为差分输出。现在可以调节vocm以使共模输出偏移，而输入仍然以地为基准。vocm可以设为基准电压源的一半或转换器的中间电平。vocm基本上像vin一样，用作另一个输入。所选电阻值应满足下式：
通过叠加，当vin为0时，输出值与vocm相同。由于vocm是设置输出共模的值，因此差分输出为0。若r1 = rg且r2 = rf，则输出电压由下式给出：
带宽和稳定性 两个放大器构成一个伺服环路配置的复合差分输出运算放大器。op1177/op2177的开环增益和ada4940的差分增益合并，得到电路的总开环增益，其定义电路的总带宽。其极点的合并则使环路的相移增加。a2使用较高增益时，会降低其带宽，并可能影响电路整体的稳定性。电路设计人员须检查电路整体的频率响应，评估是否需要补偿。为了确保反馈系统的稳定性，经验法则是随频率而变化的合并开环增益必须以–20 db/十倍频程的滚降速率跨过单位增益。这在最小增益（2倍增益）的应用中更为重要，因为环路增益处于最大值，相位裕量最差。提高总增益，从而减小带宽并增加反馈环路的相位裕量，也能改善稳定性。因为环路增益减小，它会在较低的频率跨过单位增益。环路增益由下式计算：
反馈系数β中有一个1/2 ，这 是因为输出为差分，而反馈仅从差分输出之一中获得。ada4940在2倍增益时的带宽为50 mhz，而op1177的单位增益带宽约为4 mhz。受限于op1177和闭环增益，图3所示电路在带宽约为1 mhz时可稳定工作。如之前文章中所指出的，当使用差分放大器无法满足稳定性条件时，可以使用一个限带电容，如图3（a）所示。该电容与反馈环路内部的 rf形成一个积分器，将电路整体的带宽限制为：
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