帶可調(diào)輸出共模的多功能、精密單端轉(zhuǎn)差分電路：提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的新途徑

在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，差分信號(hào)因其卓越的抗噪聲能力、高信噪比和低二次諧波失真特性，在高性能ADC驅(qū)動(dòng)、高保真音頻信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的單端信號(hào)輸入方式往往難以滿(mǎn)足這些高精度需求。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究人員開(kāi)發(fā)了帶可調(diào)輸出共模的多功能、精密單端轉(zhuǎn)差分電路，該電路不僅實(shí)現(xiàn)了單端信號(hào)到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換，還通過(guò)調(diào)節(jié)輸出共模電壓，顯著提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。本文將深入探討這種電路的工作原理、優(yōu)勢(shì)及其在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)。

引言

差分信號(hào)通過(guò)兩條互補(bǔ)的信號(hào)線(xiàn)傳輸信號(hào)，具有天然的抗共模噪聲能力。在電子系統(tǒng)中，特別是在需要高精度和高穩(wěn)定性的場(chǎng)合，差分信號(hào)的應(yīng)用顯得尤為重要。然而，許多傳感器和其他信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)是單端的，這就需要一種有效的轉(zhuǎn)換機(jī)制將這些單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。同時(shí)，為了與各種ADC接口兼容，并優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，輸出共模電壓的可調(diào)性也成為了一個(gè)關(guān)鍵需求。

帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路工作原理

電路組成

帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路通常由兩個(gè)主要部分組成：一個(gè)精密的單端至差分轉(zhuǎn)換器和一個(gè)可調(diào)節(jié)輸出共模電壓的電路。其中，單端至差分轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出信號(hào)，而輸出共模調(diào)節(jié)電路則通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)來(lái)改變差分輸出的共模電壓。

轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，常采用高性能的運(yùn)算放大器(如OP1177)和差分放大器(如ADA4940)來(lái)實(shí)現(xiàn)單端至差分的轉(zhuǎn)換。通過(guò)級(jí)聯(lián)這些放大器，并在反饋環(huán)路中引入適當(dāng)?shù)脑鲆?，可以顯著提高轉(zhuǎn)換器的性能。例如，在《模擬對(duì)話(huà)》上介紹的一種改進(jìn)型單端至差分轉(zhuǎn)換器中，OP1177與差分增益為1的AD8476級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了高輸入阻抗、低輸入偏置電流和低失調(diào)電壓等優(yōu)異性能。

輸出共模調(diào)節(jié)

為了調(diào)節(jié)輸出共模電壓，電路設(shè)計(jì)者可以在差分放大器的輸入端或輸出端引入額外的電阻和電壓源。通過(guò)調(diào)整這些元件的值，可以靈活地設(shè)置差分輸出的共模電壓，以適應(yīng)不同的ADC接口需求。此外，一些先進(jìn)的電路還允許通過(guò)軟件或外部控制信號(hào)來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出共模電壓，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

電路優(yōu)勢(shì)

提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍

通過(guò)調(diào)節(jié)輸出共模電壓，帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路能夠顯著提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)差分放大器的增益大于1時(shí)，電路的輸出動(dòng)態(tài)范圍會(huì)相應(yīng)增加。例如，在圖2所示的電路中，當(dāng)ADA4940的增益設(shè)置為2時(shí)，電路的差分輸出電壓擺幅可達(dá)±8V(在±5V電源下)，從而顯著提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

提高信噪比和抗噪聲能力

差分信號(hào)天然的抗共模噪聲能力使得該電路在噪聲敏感的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。通過(guò)優(yōu)化差分放大器的增益和輸出共模電壓的設(shè)置，可以進(jìn)一步降低噪聲干擾，提高信號(hào)的信噪比。這對(duì)于需要高精度測(cè)量的應(yīng)用來(lái)說(shuō)尤為重要。

靈活性和兼容性

帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路還具有良好的靈活性和兼容性。通過(guò)調(diào)整輸出共模電壓和差分增益等參數(shù)，該電路可以輕松地與各種ADC接口兼容，滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求。此外，該電路還支持多種輸入信號(hào)類(lèi)型(如單端、差分等)，進(jìn)一步提高了其通用性和實(shí)用性。

應(yīng)用實(shí)例

高性能ADC驅(qū)動(dòng)

在高性能ADC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路能夠顯著提高ADC的采樣精度和穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化差分放大器的增益和輸出共模電壓的設(shè)置，可以確保ADC的輸入信號(hào)滿(mǎn)足其最佳工作條件，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

高保真音頻信號(hào)處理

在高保真音頻信號(hào)處理中，差分信號(hào)的應(yīng)用同樣重要。帶可調(diào)輸出共模的單端轉(zhuǎn)差分電路能夠?qū)⒁纛l信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，并通過(guò)調(diào)節(jié)輸出共模電壓來(lái)優(yōu)化音頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量。這有助于減少音頻信號(hào)在傳輸過(guò)程中的失真和噪聲干擾，提高音頻信號(hào)的保真度和清晰度。

結(jié)論

帶可調(diào)輸出共模的多功能、精密單端轉(zhuǎn)差分電路是一種高效、靈活的信號(hào)轉(zhuǎn)換方案。通過(guò)優(yōu)化差分放大器的增益和輸出共模電壓的設(shè)置，該電路能夠顯著提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、信噪比和抗噪聲能力。同時(shí)，其良好的靈活性和兼容性也使得該電路在高性能ADC驅(qū)動(dòng)、高保真音頻信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，我們有理由相信這種電路將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。