Инструментальный усилитель с дифференциальными выходами

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2019

Moshe Gerstanhaber

EDN

Современные высокопроизводительные АЦП имеют дифференциальные входы, позволяющие дифференциально реализовать весь путь прохождения сигнала от датчика до преобразователя. Эта структура обеспечивает значительные преимущества в характеристиках, поскольку дифференциальные сигналы расширяют динамический диапазон, уменьшают фон и устраняют помехи по земле. На Рисунках 1а и 1б показаны две распространенные схемы инструментальных усилителей с дифференциальным выходом. Первая имеет единичное усиление, а коэффициент усиления второй равен двум. Обе схемы, однако, по сравнению с инструментальным усилителем с несимметричным выходом, имеют повышенные шумы и ошибки смещения, дрейфа смещения, усиления и дрейфа усиления.

Рисунок 1.	Схемы с дифференциальными выходами с коэффициентами усиления один (а) и два (б) имеют высокие уровни шумов, чрезмерные ошибки смещения и дрейфа смещения, а также значительные ошибки усиления и дрейфа.

На Рисунке 2 изображен инструментальный усилитель с дифференциальным выходом, не имеющий ни одного из этих недостатков. В схеме используется тот факт, что выходной сигнал инструментального усилителя AD8221 представляет собой разность между выходным напряжением V_OUT и напряжением опорного вывода V_REF. В этом варианте между двумя выводами добавлен инвертор с усилением –1.

Рисунок 2.	Этот инструментальный усилитель с дифференциальным выходом сохраняет усиление и не добавляет к выходному сигналу ни смещения, ни дрейфа, ни шума.

Если входное напряжение равно V, выходное напряжение (V_OUT – V_REF) также должно быть равно V. Напряжение V_REF на опорном выводе имеет полярность, противоположную полярности выходного сигнала V_OUT. Поэтому выходное напряжение должно быть

а

чтобы выполнить условие

Рисунок 3.	Входной сигнал амплитудой 2 В пик-пик и частотой 1 кГц (вверху) и дифференциальные выходные сигналы (внизу).

Подача сигнала 2.5 В на неинвертирующий вывод операционного усилителя задает уровень выходного синфазного сигнала. Операционный усилитель устанавливает 2.5 В в Узле B. Соответственно, если подать на вход напряжение 1 В, в Узле A установится напряжение 1 В, и 2 В в Узле C. Таким образом, пределы изменения выходного напряжения на 0.5 В выше и на 0.5 В ниже, чем 2.5 В. Ошибки от разности V_OUT – V_REF являются функцией только инструментального усилителя. Такие артефакты как смещение, шумы и ошибки усиления, порождаемые инвертирующим усилителем и резисторами, одинаково влияют на оба выхода. Поэтому они присутствуют только в синфазном выходном сигнале и подавляются АЦП. Работу усилителя иллюстрирует Рисунок 3. Верхняя осциллограмма соответствует входному сигналу амплитудой 2 В пик-пик с частотой 1 кГц. Нижняя осциллограмма представляет два выходных сигнала. Синфазное выходное напряжение равно 2.5 В. Спектральная плотность дифференциального выходного сигнала показана на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Спектр выходного дифференциального сигнала амплитудой 2 В пик-пик с частотой 1 кГц.