精密差分输出仪表放大器应用电路的设计

采用先进技术的模数转换器(ADC)能够接收差分输入信号，能够将来自传感器的整个信号路径以差分信号的形式传送给ADC。这种方法提供了显著的性能优势，因为差分信号增加了动态范围，减小了交流声，并且消除了对地噪声。

图1(a)和1(b)所示的是两种常见的差分输出仪表放大器电路。前者提供单位增益，后者提供了2倍增益。但是，与单端输出的仪表放大器相比，这两种电路都会受到增加噪声、失调误差、失调漂移、增益误差和增益漂移的影响。


图1设计差分输出仪表放大器的通用方法

图2所示是一个没有上述缺陷的差分输出仪表放大器原理图。这种设计充分利用了这样的特性，仪表放大器的输出实际上是其输出引脚(Vo)与参考引脚(Vref)之间的差，保持了增益，且不会在输出信号中增加失调、漂移或噪声。这里的应用技巧是在两个引脚之间加入了一个增益为-1的反相器。


图2设计差分输出仪表放大器的改进方法

输入电压是V时，输出电压(Vo-Vref)也应该等于V。参考引脚的电压与输出引脚的电压极性相反。为了满足(Vo-Vref)=V，输出必须为Vo=Vin/2，Vref=-Vin/2。通过向运算放大器的同相端输入端施加+2.5V信号来设置其共模输出电平。运放在节点B产生+2.5V电压。从而，如果对输入端施加+1V电压，那么节点A产生+3V电压，并且节点C则为+2V，因此，输出为+0.5V以上和+2.5V以下。(Vo-Vref)的误差仅是由仪表放大器引起的。由反相放大器和电阻器引起的误差诸如失调电压、噪声和增益误差对两个输出端的影响同相，因此它们仅对共模输出有贡献，会被ADC抑制掉。


图3性能波形图


图4差分输出信号说分析

图3是一张性能波形图，上面的波形是一个2Vp-p、1kHz输入，下面是两个1Vp-p、1kHz差分输出信号的波形，输出共模电压为+2.5V。图4示出的是差分输出信号的谱密度性能图，仪表放大器的输入信号为2Vp-p，1kHz。

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