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全差分放大器為精密數(shù)據(jù)采集信號鏈提供高壓低噪聲信號

本文作者：Darwin P. Tolentino 點擊： 2024-10-28 14:51

前言：

作者：Darwin P. Tolentino，產(chǎn)品/測試開發(fā)經(jīng)理

摘要

全差分放大器(FDA)具有差分輸入和差分輸出，其輸出共模由直流(DC)輸入電壓獨立控制，主要用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換的前端，用于將信號調(diào)理為合適的電平以供下一級（通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)）使用。FDA一般采用單芯片設(shè)計，電源電壓較小，因此輸出動態(tài)范圍有限。本文將介紹具有可調(diào)共模輸出的高壓低噪聲FDA的設(shè)計方法。本文還完整分析了FDA噪聲，以及其對高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號鏈的總體信噪比(SNR)的影響。

引言

高壓FDA適用于需要寬輸出動態(tài)范圍和與高性能FDA類似的交流(AC)性能的應用。例如，測試和評估具有寬輸入范圍的精密數(shù)據(jù)采集信號鏈可能需要高壓FDA。由于電源電壓較小，目前大多數(shù)FDA的輸出電壓范圍一般都很有限。FDA適合用于驅(qū)動高性能ADC的輸入，后者通常需要單電源。FDA具有出色交流性能，其SNR和總諧波失真(THD)十分優(yōu)異。不過，在失調(diào)、軌間擺幅、偏置電流和漂移性能方面，F(xiàn)DA不如許多更高電壓的精密運算放大器。但這完全不是問題，因為其滿足ADC驅(qū)動要求，而且ADI公司提供了一系列用于各種應用的ADC驅(qū)動器。

FDA支持單端或差分輸入，具有增益，并提供差分輸出，其共模通常可通過輸出共模輸入引腳(VOCM)進行調(diào)整（見圖1）。FDA的優(yōu)勢在于擁有更大的輸出動態(tài)范圍，最大輸出是輸出軌的兩倍，并且其噪聲和偶次諧波失真更低。例如，±5 V FDA的最大輸出峰峰值接近±10 V或20 V p-p。

±18 V電路的輸出大于60 V p-p。ADA4625-1/ADA4625-2是低噪聲JFET放大器，噪聲和失真性能非常好，并且電源范圍寬達±18 V。需滿足應用的所有直流和交流性能要求時，使用分立運算放大器設(shè)計FDA可能會很棘手。

圖1.FDA

要創(chuàng)建差分放大器，比較簡單的方法是使用同相和反相放大器在輸出端產(chǎn)生差模信號（圖2），但這種方法的缺點是兩個放大器U1和U2不能以非常對稱的方式運行，因而性能沒有得到優(yōu)化。

圖2.單端轉(zhuǎn)差分電路

更好的方法是將兩個運算放大器配置成差分方式，類似于基本差分放大器，其中U1和U2共享反饋和增益電阻，增益A_v = (R_G + 2R_F)/R_G（見圖3）。

圖3.差分放大器電路

此配置通過簡化的增益網(wǎng)絡(luò)提供平衡輸出，并可通過增益設(shè)置電阻RG輕松調(diào)整增益大小。然而，當輸入為單端時，差分輸出在幅度上將是不對稱的（見圖4）。不對稱輸出會使輸出范圍嚴重受限，因為其中一個輸出會先于另一個輸出達到供電軌。通過調(diào)整電阻增益網(wǎng)絡(luò)使輸出對稱，可以解決此問題（圖5）。請注意，增益電阻被分成兩部分，即R_G1和R_G2，并且U2從R_G1和R_G2的中心獲得反饋，從而使輸出對稱。增益由下式給出：A_v = (R_G1 + R_G2 + R_F1 + R_F2)/R_G1。

圖4.不對稱輸出

圖5.對稱輸出

添加可調(diào)輸出共模

添加可調(diào)共模的方法有兩種：一種方法是使用兩個ADA4625器件為每個輸入添加一個V_OCM放大器（圖6和圖7）；另一種方法是僅使用一個ADA4625-1作為V_OCM放大器（圖8和圖9）。這些方法各有利弊，下文將展開詳細討論。

通過添加放大器U3和U4，所施加的任何直流輸入電壓(V6)都會加到正負輸入上。由于每個輸入都增加了相同電壓，因此它們在輸出端表現(xiàn)為直流共模。然而，除了U1和U2差分級會進一步放大額外噪聲之外，U3和U4還會在電路中產(chǎn)生額外的功耗。不過，它非常簡單，并且不會影響整體信號增益。對于圖6中的電路，信號增益為A_v = (R_G1 + R_G2 + R_F1 + R_F2)/R_G1；對于圖7中的電路，信號增益為A_v = (R_G + R_F1 + R_F2)/R_G。

圖6.采用雙放大器的單端轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍色和綠色）的LTspice®仿真。

圖7.采用雙通道放大器的差分轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍色和綠色）的LTspice仿真。

添加可調(diào)V_OCM的另一種方法是添加一個放大器，將其輸出加到每個輸入上。這種方法的優(yōu)點包括：使用的器件（僅一個放大器）和電阻更少，以及所添加器件產(chǎn)生的噪聲貢獻更低。實際上，U3不會產(chǎn)生任何額外噪聲，因為除了來自電阻分壓器R4至R7的噪聲外，其折合到輸出的噪聲表現(xiàn)為U1和U2輸入的共模。

電阻R3至R7構(gòu)成電阻加法器網(wǎng)絡(luò)，將VOCM加到輸入信號上。R3至R5將共模加到正輸入信號上，而R6至R8（單端輸入則為R6和R7）將共模加到負輸入上。請注意，該電阻網(wǎng)絡(luò)會衰減輸入信號。這會降低電路的整體信號增益。對于圖8中的電路，總信號增益為A_v = [(R_G1 + R_G2 + R_F1 + R_F2)/R_G1]][(R4//R5)/(R4//R5 + R3)]；對于圖9中的電路，總信號增益為A_v = [(R_G + R_F1 + R_F2)/R_G][(R4//R5)/(R4//R5 + R3)]。噪聲分析部分闡明了主要噪聲源，并且根據(jù)所需的總增益和設(shè)計人員需重點考慮的其他因素，討論了第二種添加V_OCM的方法是否比第一種方法更有益。

圖8.采用單放大器的單端轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍色和綠色）的LTspice仿真。

圖9.采用單放大器的差分轉(zhuǎn)差分可調(diào)共模電路。右圖為輸入（紅色）和輸出（藍色和綠色）的LTspice仿真。

噪聲分析

在為高性能精密數(shù)據(jù)采集信號鏈提供激勵時，噪聲是一個關(guān)鍵考慮因素，最終將決定系統(tǒng)在動態(tài)范圍和SNR方面的限制。16位ADC的理論SNR為98 dB（6.02 N + 1.76 dB，N = 位數(shù)），這意味著4.096 Vp輸出（或8.192 V p-p）的等效噪聲約為36 μV rms。這種噪聲稱為量化噪聲，是由ADC的量化誤差引起的。-98 dB SNR是16位系統(tǒng)的理想極限，任何性能下降都將是由ADC的輸入或周圍電路的額外噪聲引起的。以下是單通道和雙通道放大器VOCM全差分電路中各元器件的噪聲貢獻分析。圖10為具有雙放大器VOCM的FDA電路噪聲模型。

差分級 — U1和U2噪聲貢獻

ADA4625-1/ADA4625-2的電流噪聲密度非常低，在1 kHz時為4.5 fA/√Hz，而折合到輸入(RTI)的電壓噪聲在1 kHz時約為3 nV/√Hz，本分析將其視為寬帶噪聲。U1和U2的電流和電壓噪聲在差分輸出端的總噪聲貢獻（均方根值）可以表示為：

其中，eNv,U1U2是U1和U2的RTI電壓噪聲引起的輸出電壓噪聲，而eNI,U1U2是輸入電流噪聲引起的輸出電壓噪聲。對輸入端各分量噪聲的平方和求平方根(RSS)可以得到RTI電壓噪聲，然后由增益和反饋網(wǎng)絡(luò)R_F和R_G進行放大。類似地，電流噪聲經(jīng)過RSS處理后，由R_G轉(zhuǎn)換為電壓噪聲，再經(jīng)放大傳輸至輸出。輸入電流噪聲非常小，其貢獻微不足道，因此電阻和放大器的電壓噪聲是輸出端的主要噪聲源。

圖10.雙放大器V_OCM噪聲模型

由U1和U2的增益和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)（R_F1、R_F2和R_G）引起的輸出噪聲為：

其中，室溫下1 kΩ電阻的熱噪聲為4.06 nV⁄√Hz。

在輸出端合并U1和U2的電壓噪聲及其反饋電阻網(wǎng)絡(luò)噪聲，忽略電流噪聲，使用公式1和3可得到：

從之前的討論可以得知，隨著增益的提高，放大器的電壓噪聲很容易成為主導噪聲。使用較小的RG值（例如500 Ω）可以大大降低電阻的噪聲。

VOCM電路 — U3和U4噪聲

接下來分析圖10中VOCM電路的噪聲。VOCM電路（U3和U4）的總噪聲（包括電阻噪聲，并忽略每個放大器的輸入電流噪聲）計算方式如下：

其中，R1//R2為R1和R2的并聯(lián)等效電阻。從之前的討論還可以明顯看出，U3和U4的總噪聲主要由放大器電壓噪聲和電阻噪聲組成，因此最好保持較低電阻值，以有效減少其對整體噪聲的貢獻，使放大器噪聲成為唯一的主要噪聲源。V_OCM電路輸出端的噪聲會出現(xiàn)在差分級的輸入端，隨后由差分級放大并傳輸至輸出端。

V_OCM電路 — 單放大器U3噪聲

如前所述，U3輸出端的噪聲作為U1和U2輸入端的共模出現(xiàn)（顯示為inp和inn，見圖 11），因此不會給差分級帶來噪聲。額外的噪聲來自電阻R3至R8。仔細檢查可發(fā)現(xiàn)，差分級的每個輸入端都有三個并聯(lián)電阻——正輸入端為R3至R5，負輸入端為R6至R8（圖11c），這也使得電阻的噪聲貢獻非常小。

在雙放大器和單放大器VOCM電路這兩種電路中，后者的噪聲貢獻要低得多，但其整體信號增益較低。此外，它的功耗更低，所需的放大器也更少。公式7表示圖11中VOCM電路輸出端的噪聲；公式8表示差分級輸出端變化對U1和U2的對應噪聲貢獻。

綜合考慮 — ADC信號鏈的總SNR

ADC信號的總SNR由模擬前端(AFE)和ADC的總噪聲貢獻決定，其中可能包括來自其他噪聲源的噪聲。ADC信號鏈的總SNR由下式得出：

圖11.單放大器V_OCM噪聲模型

其中，V_REF被認為是雙極性輸出ADC的正滿量程。

總體而言，信號鏈的總SNR可以用圖12來總結(jié)。

圖12.數(shù)據(jù)采集前端信號鏈

ADC的噪聲與AFE輸入端的噪聲相結(jié)合，會使ADC的實際總SNR低于理論或理想值。為將AFE的噪聲與ADC的噪聲結(jié)合起來，需要將ADC的SNR轉(zhuǎn)換為其均方根積分噪聲等效值，如下所示：

例如，ADAQ7767-1的典型SNR為-106 dB，等效有效值噪聲為14.5 μV。

ADAQ7767-1是一款24位數(shù)據(jù)采集解決方案，帶有集成ADC驅(qū)動器和抗混疊濾波器，增益為1、0.364、0.143 V/V，250 kSPS時噪聲帶寬(BW)為110 kHz，其陡峭截止頻率主要由其數(shù)字磚墻濾波器決定。ADA4625-1/ADA4625-2的典型寬帶電壓噪聲為3.3 nV⁄√Hz，因此圖13中差分級（U1和U2）的輸出噪聲貢獻（噪聲增益為6）為：

eN,V_U1U2 = [√2(3.3 nV)²] (500 Ω + 1.5 kΩ + 1 kΩ)/500 Ω = 28 nV⁄√Hz；U1和U2 RTI噪聲引起，使用公式1。

eN,RES_U1U2 = √[2.87 nV(6)]2 + (4 nV)2 + (4.97 nV)² = 18.4 nV⁄√Hz，電阻增益網(wǎng)絡(luò)引起，使用公式3。

eN,U1U2 = √(28 nV)² + (18.4 nV)² = 33.5 nV⁄√Hz，差分級的總輸出噪聲貢獻。

根據(jù)公式 8，其中差分級輸入端三個電阻（1 kΩ）的并聯(lián)等效值為333.3 Ω，噪聲為2.3 nV⁄√Hz：

eNO,VOCM_U3 = 6√2(2.3 nV)2 = 19.5 nV⁄√Hz，電阻R3至R8引起的輸出噪聲貢獻。

因此，ADAQ7767-1輸入端的總輸出噪聲計算如下：

ADAQ7767-1的輸入增益級配置設(shè)置為0.143 V/V，輸入范圍為±28 V (56 V p-p)。鑒于-106 dB的典型SNR相當于14.5 μv有效值噪聲，將輸入電路噪聲與器件噪聲相結(jié)合可得出如下結(jié)果：

輸入電路對系統(tǒng)總噪聲的貢獻非常小，部分原因在于ADAQ7767-1的輸入增益較小。請注意，110 kHz來自磚墻式數(shù)字濾波器，因此乘以帶寬時無需帶上濾波器帶寬調(diào)整因子。根據(jù)-106 dB的典型SNR，信號鏈的最終SNR將為：

使用LTspice對圖13中的輸入電路進行噪聲仿真（圖14），表明110 kHz帶寬的總有效值噪聲為12.3 μV rms。將其乘以0.143 V/V的增益，得到ADAQ7767-1輸入端噪聲為1.8 μV有效值噪聲，這與計算出的總輸入噪聲值相同。

圖13.具有高壓輸入的ADAQ7767-1精密信號鏈

圖14.圖13所示ADAQ7767-1輸入電路中的LTspice噪聲

表1為使用ADAQ7767-1的其他增益時所得的信號鏈總SNR。

表1.ADAQ7767-1不同增益下的信號鏈總SNR

總AFE (FDA)噪聲(V rms)	帶寬(Hz)（磚墻）	ADAQ7767-1增益	ADC輸入總噪聲(V rms)	系統(tǒng)總噪聲(V rms)	總SNR (dB)
3.88E-08	1.10E+05	0.143	1.84E-06	1.46E-05	-105.94
3.88E-08	1.10E+05	0.364	4.68E-06	1.52E-05	-105.58
3.88E-08	1.10E+05	1	1.29E-05	1.94E-05	-103.49

圖13中僅使用了單放大器VOCM電路。該電路可用于向前端信號鏈系統(tǒng)提供大輸入電壓，而不會對噪聲性能產(chǎn)生顯著影響。雙通道放大器VOCM電路可以在相同的總信號增益下提供類似的噪聲性能。噪聲分析部分“VOCM電路 — U3和U4噪聲”中給出的噪聲方程可用于計算雙通道放大器VOCM電路輸出端的總噪聲，并且可以應用同樣的方法和概念來計算信號鏈的總SNR。

結(jié)論

在本文介紹的電路中使用ADA4625-1/ADA4625-2創(chuàng)建復合FDA，可實現(xiàn)具有可調(diào)共模的低噪聲、高電壓輸出解決方案，進而可以驅(qū)動具有寬輸入范圍的高性能數(shù)據(jù)采集信號鏈。通過適當配置差分級的反饋網(wǎng)絡(luò)，該方案既能支持單端輸入，也能支持差分輸入。單放大器VOCM電路功耗更低，使用的放大器更少，故而優(yōu)于雙放大器VOCM電路。我們的示例表明，在增益較低時，F(xiàn)DA電路不會對ADAQ7767-1信號鏈的總SNR產(chǎn)生顯著影響。對于增益1 V/V、0.364 V/V和0.143 V/V，其輸入范圍分別為±4.096 V、±11.264 V和±28 V；增益最低時輸入范圍最寬，并且從該解決方案中受益最大。

關(guān)于ADI

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2023財年收入超過120億美元，全球員工約2.6萬人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問

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作者簡介

Darwin Tolentino現(xiàn)任ADI公司產(chǎn)品/測試開發(fā)經(jīng)理，常駐在菲律賓甲米地垂亞斯將軍城，主要負責精密μModule®信號鏈相關(guān)業(yè)務，該信號鏈為精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供集成式完整解決方案。他于2000年加入ADI公司，起初擔任產(chǎn)品制造工程師，后來成為產(chǎn)品與測試開發(fā)工程師，負責為各種線性和精密產(chǎn)品（如放大器、基準電壓源和轉(zhuǎn)換器）設(shè)計ATE解決方案。

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