全差分運算放大器淺析


 全差分放大器(Fully-Differential)是一種應用在將單端信號轉換爲差分信號,或者將差分信號轉換爲差分信號的芯片。

全差分放大器的配置特點,就是全對稱匹配。即兩側輸入阻抗配置完全一致(阻抗包括源內阻),反饋配置完全一致。

因此,無論你配置到多大增益,兩者都是各擔一半;差分輸出。

單端輸入和差分輸入的區別就在於一端接GND,其實搭建電路時和單端運放時就多了一個相同反饋迴路,如下圖:

單端運放閉合迴路,增益G=Rf/Rg。

上圖,單端轉差分的電路,增益G=Rf/Rg.。就是需要注意,單端轉差分時候,G=1時,(Vout+)-(Vout-)=Vin,每個輸出各承擔一半。


現以ADI公司的ADA4940-1爲例,分析全差分放大器用作單端轉差分信號時的工作原理以及外部電阻參數的計算。

ADA4940-1的應用電路

上圖爲ADA4940-1的應用電路,按照其DATASHEET中描述可知,VOCM表示爲輸出信號的共模電壓,其大小由外部輸入決定,與輸入信號的共模電壓無關。電路中存在兩個閉環,上下對稱,爲了使得閉環的性能一致,兩個閉環的參數應該一致。

VOCM,輸入此引腳的電壓以1:1的比例設定共模輸出電壓。例如,若VOCM爲1 V直流,則+OUT和–OUT的直流偏置。

電平將設爲1 V。

輸入電阻推算:

假設正輸入端VIN=V,產生的電流I,負輸入端接GND,則輸入端的差分信號VIN_dm=V;在此電路中,RF=RG=1K歐,則輸出端的差分信號VOUT_dm=VIN_dm*(RF/RG),公式參見其數據手冊。

根據電路對稱結構:VOUT+ - VOCM=VOCM - VOUT-

RF=RG=1K可得:

VOUT_dm=VIN_dm,VOUT_dm=V,VOUT_dm=VOUT+ - VOUT-=V;-VOUT-=V-VOUT+;

VOUT+ - VOCM=VOCM + V - VOUT+;

則 正輸出端 :    VOUT+=VOCM+1/(2*V) -------------------(1)

同時 負輸出端:  VOUT-=VOCM-1/(2*V)---------------------(2)

其中VOCM爲輸出共模電壓,由外部引腳引入,和輸入共模電壓獨立,這樣用戶可以在一定範圍內設置想要的共模電壓。

可以得到:

I=(VIN-VP)/RG---------------------------------------------------(3)

VP=VN=RG*(VOUT+)/(RG+RF)---------------------------(4)------電阻分壓

 

結合(1)~(4)可以得到:

I={VIN-(1/2)(RG/(RG+RF))*VIN-RG*VOCM/(RG+RF)}/RG-------(5)

令輸入信號V產生了ΔV的變化,則有:

ΔI=(ΔVIN-(1/2)(RG/(RG+RF))*ΔVIN)/RG---------------------------(6)

由式(6)可以得到,電路的輸入電阻RIN可以表示爲:

RIN=ΔVIN/ΔI=RG/(1-RG/2(RG+RF))-------------------------------(7)

帶入RF=RF=1KΩ,可以得到:

RIN=1.333KΩ。


AD8132中的定義:

 

全差分放大電路輸入阻抗:

電路的有效輸入阻抗(在+DIN和–DIN端)取決於放大器是由單端信號源驅動,還是由差分信號源驅動。對於平衡差分輸入信號,兩個輸入端(+DIN和–DIN)之間的輸入阻抗(RIN,dm)爲: 

若爲單端輸入信號(例如,若−DI N接地,輸入信號接入+DIN),輸入阻抗則爲:

該電路的輸入阻抗高於作爲反相器連接的常規運算放大器,因爲一小部分差分輸出電壓在輸入端表現爲共模信號,從而部分增加了輸入電阻RG兩端的電壓。


 

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  作者:杭州卿萃科技ALIFPGA 

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