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全差分放大器(FDA)电路设计计算问题及电压范围估算[原创www.cnblogs.com/helesheng]

一、全差分放大器(FDA)的基本原理

从信号中去除或者向信号中加入共模信号需要用到减法器电路,如下图所示。这是个教科书上的电路,它对两个输入端上的电压做减法后,乘以增益G后,叠加到参考电压(图中Ref端上的电压)上。从而实现电路工作点的移动。

加法器

图1 模拟减法器

 为了从差分信号中去除共模信号,使用一路图1所示电路即可:将差分信号从R1和R3的左侧接入即可,输出的共模信号连接到Ref端即可。图1电路的的缺点是R2/R1、R4/R3必须严格相等,否则将应向电路的共模抑制比(CMRR),所以最好使用放大器中集成R1~R4的现成放大器(如仪用放大器等)。去除共模信号的需求,在电流采样、生物电信号放大、热敏电阻转换等应用中使用非常广泛,这里不再赘述。

减法器的另一类应用是反过来将单端信号转换回两路全差分信号。这种应用需求,最常出现在全差分模数转换器(ADC)的驱动电路中。其作用是将单端或差分信号转换为相对于固定共模电压(一般为1/2Vcc),相位相反的一对差分信号,如图2所示。方法是用图1所示的模拟加法器,对虚线所示的单端输入信号和衰减1/2,同时加入1/2的电源电压作为共模电压,得到图中红色的信号;然后再对这个信号反相以求得图中绿色的信号。用分离元件和运放来实现图2所示的信号变换的电路可以参考拙作:https://www.cnblogs.com/helesheng/p/15583047.html中图1的电路。但各大半导体厂商都有自己集成的“全差分放大器”(FDA)解决方案来实现对高速ADC的驱动功能。本文主要探讨这类FDA放大器的计算问题和使用时容易踩的坑。

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图2 全差分信号

(全差分放大器的作用通常是将虚线所示的单端信号变换为全差分ADC所需要的要红色和绿色曲线所示的对称的全差分信号)

二、FDA电路设计的基本方法

 图3是ADI公司经典的全差分放大器AD8132的典型电路。

image

图3 AD8132典型电路

一般设计时应使用以下原则:

1、VOCM是外部电路输入的输出信号的共模电压,一般是一个直流或者接近直流的电压值,大小为后端ADC参考电压VREF的1/2。
2、FDA开环增益和输入阻抗很大,只要负反馈成立,同相输入端+IN和反相输入端-IN之间满足“虚断”和“虚断”的原则。
3、为实现所谓“全差分”,同相端和反相端的反馈系数应相同,以避免两侧增益不等。一般取如图所示取两个反馈电阻RF相等,输入电阻RG相等。增益k=RF/RG
4、注意反馈必须是负的,因此反相输出端反馈到同相输入端,同相输出端反馈到反相输入端,不要搞反!
5、输入信号的实质是+DIN和-DIN之差,一般两者之差不应含有直流分量。

三、FDA输入绝对电压范围的计算

作为一个纯粹的线性电路,FDA同样要求自己的输入电压和输出电压在电源轨(Rail)之内,甚至要求出足够的电压裕量(Head Room)。以AD8132为例,其两个输入端对低电压侧的电压裕量至少为0.3V,对高电压侧的电压裕量至少为2.0V,假设AD8132的电源电压为3.0V,则只有当+IN和-IN两个管脚的绝对电压值都在0.3V~1V范围内(以下推导中假设这个上下限为VΔ-和VΔ+),AD8132才能正常工作。这就要求我们控制输入电压+DIN和-DIN的绝对值,以保证+IN和-IN都在VΔ-和VΔ+范围内。下面以FDA做单端到差分转换,增益为k为例的电路为例来计算输入单端信号的绝对电压范围。

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 图4 FDA实现单端信号到差分信号转化电路

 有前面提到的FDA的功能,两个输出端的电压为共模输入加减k倍输入的一半:

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[注意保证VO+和VO-都在FDA的输出信号轨(各自距离电源轨1V左右)以内]

 由虚断得到:

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由虚短得到:

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 保证+IN和-IN都在VΔ-和VΔ+范围内有:

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 代入得到:

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 解得输入信号的范围:

image                                           (1)

这个解析解有点麻烦,举个实例可能更容易理解。若电源电压使用3V的AD8132 ,增益k为1,ADC的参考电压为2.5V,输出共模电压VOCM设置为参考电压的一半1.25V,把VΔ-和VΔ+为0.3和1V代入可以解得:

f(t)应在-1.3V到1.5V之间。这个结果其实预示了输入在FDA使用3V电源情况下,使用1倍增益,ADC输入信号范围无法做到-2.5V~+2.5V或0~+2.5V的最佳动态范围要求。需要增大FDA的电源电压。

 

四、反推FDA所需的电源电压

 我们反推一下,在k=1条件下,共模电压为A/2时,为获得对称的A信号幅度,需要多高的电源电压。

即:

image

 代入上面的(1)式得到

 

image

将f(t)的最大值和最小值代入+A和-A,整理得到 :

image

 即

image                                    (2)

  上面(2)式中比较难以满足的是第一个,由于负电源轨电压裕量(head room)的存在,要求FDA具备负电源。第二个不等式也要求电源电压不能太低,当然这个要求相对容易做到。 

http://www.hskmm.com/?act=detail&tid=14601

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