TI高精度实验室-运算放大器-第十六节-全差分放大器

TI高精度实验室-运算放大器-第十六节-全差分放大器

现在看到的图中显示了全差分放大器 或者称为 FDA 上的标准的引脚连接 我们有两个电源引脚 和两个输入引脚 就和标准的单端运算放大器一样 FDA 有两个差分的输出引脚 将产生互补的输出 VOCM 引脚用于控制放大器内部的次级环路 并设置 FDA 的直流输出共模电压 FDA 可以配置为 将单端输入信号转化为差分输出 如左下图所示 这种配置通常用作单端运算放大器 或者传感器与差分 ADC 之间的接口 FDA 是个对称的设备 这意味着这里显示的电源和地的连接 是可以颠倒 而不影响放大器的功能和性能的 FDA 也可以配置为差分输入 到差分输出的电路 如右下图所示 放大器的差分增益 由反馈电阻 RF 和增益电阻 RG 的比值决定而共模增益 则由 VOCM 和反馈网络的组合来设定 只要反馈在相反极性的输入和输出引脚之间 FDA 就会配置一个负反馈回路

FDA 通常指的是集成放大器 但是全差分放大器 也可以使用分立式的 单端运算放大器来实现 我们在这里介绍了两种不同的实现方法 图中所示的第一种方法 是具有为前一个驱动阶段 提供高输入阻抗的好处 放大器1配置为缓冲器 同时驱动同相输出以及放大器2 放大器2配置为反相放大器 驱动反相输出 这个架构有一些缺点 由于放大器1驱动放大器2 因此 VOUT+ 和 VOUT- 之间 存在固有的路径差异 两路之间的相位差会导致平衡误差 这会削弱全差分结构的优点 即共模抑制的改善 和偶次谐波失真的改善 在差分信号发送中 各个单端输出之间的任何共模差异 都不会被拒绝 并且都被转化为差分输出 除了路径的差异之外 与集成的全差分放大器相比 两个分立放大器具有较差的匹配和对称特性 而其他的东西则会保持不变 我们需要记住 更好的匹配和对称 将总能实现更卓越的共模抑制和失真性能 两个放大器的输出噪声 由这里显示的公式给出 相比较本设计中所示的两个分立式放大器 所消耗的相同的静态功耗 集成式的全差分放大器 通常具有更好的噪声性能 而另个缺点就是缺乏共模电压控制 共模增益固定在 1V/V 在此处显示了使用分立式单端运算放大器 实现的全差分放大器的第二种方法 与之前的放大器不同 这个放大器配置 可用于将单端输入或者差分输入 转化为典型的 FDA 的差分输出 放大器有两个独立的反馈回路 差分增益回路和次级共模反馈回路 前向路径差分增益环路 由这里所示的两个输入放大器实现 而第三个放大器是共模反馈环路的部分 它允许系统保持所需要的共模输出电压 类似于集成的 FDA 它与集成的解决方案相比 两种分立式放大器的架构都具有明显的缺点 即较差的匹配 较高的每兆赫兹带宽 静态功耗和较高的噪声

现在我们已经看到 如何使用分立元件来实现 完全差分放大器 再让我们来研究下集成的设计 这里显示的是 THS4551 的内部框图 THS4551 是一款高精度的 FDA 通常用于驱动 SAR 和 δ-σ ADC 这个器件的核心是差分高开环增益 前向路径放大器 此外，这个设计的组成部分 是控制 FDA 输出共模电压的 次级误差放大器 误差放大器 通常是宽带宽、低噪声、单端运算放大器 通过检测前向放大器的差分输出的平均电压 并将其与 VOCM 引脚的电压进行相比 较来工作的 集成的 5.2kΩ 的电阻 检测前馈反放大器的平均输出电压 也就是它的共模电压 然后误差放大器将这个平均电压 与同相引脚上的直流电压进行比较 并调整其输出电压 误差放大器输出 随后驱动前馈放大器中的内部偏置节点 负反馈回路中的运算放大器的理想情况下 将两个输入相互跟踪 误差放大器的负反馈 因此作为调整前馈放大器的 内部偏置节点的伺服环路 直到其反相输入处的电压 等于 VOCM 当 VOCM 引脚悬空时 误差放大器同相输入端的电压 默认为中间电源 因为电源之间的内部 300kΩ 的电阻分压器 如果 VOCM 的引脚悬空 则应该在 VOCM 引脚 与地之间连接个电容 以减少 300kΩ 电阻的高频热噪声 如果应用需要与中间电源不同的输出共模 则用低输出阻抗的直流电源 在外部驱动 VOCM 引脚 ADC 的精密的 AC 或者 Vref 引脚 通常用于此目的

可以按照以下三条黄金法则来进行分析 第一条规则 FDA 的两个输入引脚相互追踪 这类似于单端运算放大器的虚拟接地的概念 请注意 直流和交流信号的分量是相等的

接下来的两个规则 与 FDA 的输出引脚有关 规则二 FDA 的两个单端输出 在频率和幅度上彼此相同 但是相位差 180 度 如图上所示 第三，也是最后一条规则 是两个单端输出共享相同的直流共模 或者换句话说 两个输出信号的瞬时平均值 总是等于 VOCM 例如如果 VOCM 设置为 2.5V 并且 VOUT+ 处的电压为 3.5V 则 VOUT- 的电压应该为 1.5V 以满足 FDA 的规则 2 和 3

第二部分：

ADC 驱动器应用 通常需要一个以地为中心的 单端双极性信号 转换成具有 DC 偏差的差分信号 ADC 通常在单个正电源上工作 一个常见的误解 是当输入信号以地为中心时 为了不使输入和输出饱和 FDA 必须使用分流电源 根据增益配置和直流输出共模 FDA 可能能够在 单个正电源接地的情况下 进行信号转换 我们将用一个例子来说明 THS4551 我们假设 0V 直流共模的 输入信号为 2Vpp 另外假定 FDA 在3.3V 和地的电源下的增益配置为1 最后假定输出共模引脚 设置为中间电源或者 1.65V 在这些条件下 放大器输出将是1.65V 共模上的 2Vpp 的差分信号 放大器的每个单端输出 因此将具有以 1.65V 共模为中心的 1Vpp 摆幅 如图中所示 THS4551 的数据表规定 其输出能够摆动到其 电源的 200mV 的范围内 在此示例配置中 我们在 3.1V 和 0.2V 之间摆动 因此放大器输出在这个例子中 具有足够的余量来提供 下一步是计算放大器输入引脚的信号摆幅 在 VOUT+ 和地之间 用等值电阻器来观察反馈网络 我们推断放大器的输入摆幅 将是输出摆幅的一半 或者在这个例子中 是在 0.575V 和 1.075V 之间 THS451 数据表 指定其输入引脚 可以摆动到负电源电压之下 并且在正电源的 1.1V 的范围内 在这个例子中 THS4551 的输入 是可以在 -0.2V 和正的 2.2V 之间摆动 在这个例子中 再次使用了足够的输入裕量 因此单边电源上的 FDA 可以配置为单电源 ADC 和双极性输入信号之间的接口 FDA 的输入和输出摆动 取决于以下三个因素 一是输入信号的幅度和它的共模 二是放大器的增益配置 三是 FDA 的输出共模